Scienza e tecnologia dei materiali

Propagazione del calore

∆T∆Q = λA∆t ∆x

La propagazione del calore dipende anche dall'intervallo di temperatura oltre alla classe del materiale.

Diffusività termica

È la misura della velocità di trasmissione del calore in un solido.

λa = ρC p2

Viene misurata in ms

Resistenza agli sbalzi termici

Possiamo avere la formazione di rotture a causa delle brusche variazioni di temperatura a causa delle tensioni termiche.

−σλ(1 ν)T RS = Eα

• = resistenza meccanica

σ• = conducibilità termica

λ• = coefficiente di Poisson

ν• E = modulo elastico

α

Alte temperature operative

Le proprietà dei materiali cambiano al variare della temperatura in modo lineare, come il modulo elastico, oppure in modo più repentino, come il limite elastico.

A temperatura ambiente i metalli e ceramici si deformano indipendentemente dal tempo di carico. Nel caso di alte temperature,

Anche carichi incampi elastico, innescano lo scorrimento viscoso, con una deformazione lenta e continua nel tempo, fino a rottura. Lo scorrimento viscoso avviene:

• per metalli → T 0,35-0,5 T_{oper f}
• per i ceramici → T 0,45-0,7 T_{oper f}

Quando un metallo lavora ad una temperatura operativa elevata sotto una forza costante nel tempo avviene una deformazione nel tempo come riportato nella figura 76.71.

Figura 76: Deformazione alte temperature

Figura 77: Deformazione a T costante

Nella situazione di creep secondario possiamo andare a definire la deformazione come: n = Bσ_ss, dove con n si indica l'esponente del creep.

11.6.1 Deformazione a sforzo costante

È importante andare a studiare la deformazione a temperatura costante con un carico variabile.

Sotto una deformazione costante: Qc = Ce^RTss

Con Qc si indica l'energia di attivazione del creep.

La deformazione cresce in modo esponenziale con il variare della temperatura.

Durante il creep terziario

Passa a un creep esponenziale quando ho sufficiente energia per favorire lo spostamento delle dislocazioni. All'aumentare delle deformazioni abbiamo la formazione di cavità, nella direzione della sollecitazione, che portano alla rottura del materiale per creep.

Carichi ciclici - Fatica

Durante una tipica condizione di volo, la superficie inferiore delle ali subisce sollecitazioni variabili con valori diversi. Ogni singola sollecitazione non può portare a rottura.

La sollecitazione ciclica abbiamo una riduzione progressiva delle prestazioni del materiale. Quando il materiale è sottoposto a dei carichi ciclici dell'energia viene dissipata, ovvero non riesce a cedere parte dell'energia e viene immagazzinata, questo porta a danneggiamento e infine a rottura.

Nessun materiale è così perfetto da restituire completamente l'energia al cessare del carico, l'energia dissipata è chiamata energia di smorzamento misurata con un

coefficiente di smorzamento. In assenza di difetti la formazione delle fratture avviene dalla superficie.

12.1 Coefficiente di smorzamento

Nei le dislocazioni si muovono, anche in campo elastico, e questo fametallisi che parte dell'energia non venga ceduta. Nel caso di materiali fortementelegati il movimento delle dislocazioni, anche in campo elastico, è bloccato equesto porta ad un basso coefficiente di dispersione.

Materiali con un alto coefficiente di smorzamento vengono usati invecenel caso si vogliano eliminare o ridurre delle vibrazioni.

I materiali presentano bassi valori di smorzamento in quanto iceramicimoti dislocativi sono molto ridotti.

Nei il moto relativo fra le varie catene dissipa energia, ma ilpolimericomportamento è di nuovo in funzione della temperatura relativa. Sottola temperatura di transizione vetrosa sono presenti i legami secondari cheportano un E elevato e quindi una dissipazione contenuta.

Nei test a fatica possiamo parlare di:

Sollecitazione media σ + σmax min2• Intervallo di sollecitazione -∆σ = σ σmax min• Ampiezza di sollecitazione -σσS = max min2• Rapporto di sollecitazione σR = minσmax• Numero di cicli• Frequenza dei cicli

Il numero di cicli di vita dipendono dal valore massimo della sollecitazione. Più mi avvicino al carico di snervamento, minore sarà il numero di cicli di vita. 74

Figura 80: Curve S-N

12.2 Studio della fatica

12.2.1 Componente non danneggiato

Componente senza difetti preesistenti. Dopo diversi accumuli di energia inizia a formarsi la cricca che poi si propagherà velocemente. La maggior parte dei cicli è spesa per generare il primo difetto.

Dobbiamo andare a costruire le curve di Vohler o curve S-N. Per costruire queste curve prendo un numero elevato di provini e per ogni provino vado a fare una prova con ricavando . Reitero su molti provini andando a S N1 1 modificare

L'ampiezza di sollecitazione e grafico i risultati. Per tutte le prove il parametro R deve rimanere invariato. La curva che si ottiene è sempre monotona decrescente. Il limite a corrisponde all'ampiezza di sollecitazione del provino che resiste per fatica un .7N = 10. La zona di transizione tra fatico a basso numero di cicli e alto 4'N 10 numero di cicli si ha per . Fatica ad elevati cicli: Legge di Basquin b∆σN = C 1f• intervallo di sollecitazione ∆σ:• : tempo di vita a fatica Nf• : costante C 1• b: esponente di Basquin. Andando a dividere l'intervallo di sollecitazione per il modulo elastico trovo l'intervallo di deformazione. Queste leggi empiriche sono importanti perché posso andare a disegnare le curve S-N con un numero inferiore di provini.

Figura 81: Fatica e numero di cicli

12.2.2 Componente danneggiato Componente con cricca già presente; studio quanti cicli sono necessari per portare alla formazione di una

cricca sufficientemente grande. Viene usato questo metodo per i componenti ad alto rischio come le pale delle turbine.

12.2.3 Propagazione della frattura ad alti cicli

Test di fatica su un provino che non ha difetti preesistenti. La superficie sarà la parte difettosa a causa della rugosità superficiale. La sollecitazione maggiore avviene al vertice della cricca che induce la nascita della prima cricca. Nella fase di compressione la cricca si richiude facendo progredire la cricca. Se la tensione di sollecitazione è vicino al carico di snervamento si vanno a creare delle cavità che velocizzano la velocità di propagazione.

Posso riconoscere la rottura per fatica a causa delle bande di fatica che convergono nel punto di innesco. La resistenza a fatica del provino è molto influenzata dalle condizioni della superficie del provino.

12.2.4 Come aumentare la resistenza a fatica

Le cricche si propagano

Solo durante la trazione del ciclo. Vado a creare uno stress di compressione superficiale per andare a ridurre la creazione della cricca.

12.2.5 Componente fessurato o struttura al alto rischio

I difetti esistenti nel materiale vanno a ridurre la vita del materiale; maggiore è la dimensione del materiale più alta è la probabilità che il difetto esista.

Si va a studiare la propagazione della cricca, ovvero la legge di accrescimento del difetto.

Su un provino andiamo ad applicare un carico ciclico costante con -1R = e andiamo a calcolare il ΔK, l'intervallo di intensità di sollecitazione ciclica, al variare del numero di cicli.

Possiamo andare a ricavare così a e da ΔK, dN.

Andremo a diagrammarli in un unico grafico ricavando così la crescita della cricca per ciclo.

L'asintoto di sinistra restituisce il valore al di sotto del quale la crescita delle cricche è così bassa.

parla di materiale duttile;anel caso abbiamo un materiale che subisce una moderata strizione primabdella rottura; nel caso abbiamo una rottura di tipo fragile.cLa frattura avviene a causa della formazione della cricca e della suapropagazione che può essere lenta (frattura dutt