Scienza e tecnologia dei materiali

Coefficiente di incrudimento

σ εyn: coefficiente di incrudimento, corrisponde alla pendenza del trattodeformazione plastica della curva sforzo-deformazione reale (noningegneristico) detto anche esponente di incrudimento).

A: costante è basso per metalli con strutturacristallina con reticolo esagonale compatto, più elevato con CCC epiù elevato per struttura reticolare CFC.

Metalli con basso n risentono in minima parte dell'effetto dellalavorazione a freddo come il titanio.

L'effetto della lavorazione può essere:

• desiderato: alla fine della lavorazione ho aumentato il limiteelastico/ di snervamento.
• indesiderato: proseguimento della lavorazione. È possibile arrivarea sollecitazioni così levate che la duttilità non riesce a coprire,perciò è necessario applicare la ricottura del metallo: si fa untrattamento termico agendo solo sulle dislocazioni. Attraverso larecovery (ricottura di ripristino), non si modifica la forma (si è.

Al di sotto della temperatura di fusione) ma si riordino le dislocazioni in modo da recuperare delle zone di reticolo senza le dislocazioni in cui la dislocazione vista prima possa muoversi senza essere ostacolata. Ovvero con la recovery parte dell'energia interna che è stata immagazzinata a causa delle deformazioni sotto forma di una grande concentrazione di dislocazioni a spigolo è rilasciata per l'alta temperatura, le dislocazioni sono in parte ridotte in numero in parte ridistribuite secondo delle dislocazioni di equilibrio, comunque, a più bassa energia.

Si recupera la duttilità ma si perde la resistenza precedentemente raggiunta. Se il trattamento termico è effettuato a una temperatura superiore rispetto a quella di recovery, si fa una ricristallizzazione: non solo si cancellano le dislocazioni prodotte con la lavorazione ma si cancella completamente tutta la storia del materiale. Si cancella dei grani e ne ricrea di nuovi, più piccoli.

Viene favorita così tanto la diffusione allo stato solido che gli atomi iniziano a ricostruire il reticolo, in una condizione più stabile. Unendo i due principi in un'unica operazione si ottiene la lavorazione a caldo = incrudimento + ricristallizzazione. Si applica una sollecitazione attraverso i rulli, i grani equi si allungano, si creano le dislocazioni, con la temperatura (= temperatura di ricristallizzazione) non appena i grani si allungano, i reticoli si sistemano in modo da annullare le dislocazioni e ricreare i grani piccoli e successivamente, attraverso l'accrescimento dei grani, il materiale torna alla microstruttura iniziale ma con sezione ridotta. Si può ricominciare con la lavorazione perché il materiale ha tutta la duttilità dell'inizio e necessita di una resistenza molto piccola per variare la sezione. L'aumento di resistenza è associato ad una perdita di duttilità, per cui si riduce la deformazione.

materiale è più resistente ma non può più essere deformato in modo esteso.

Rafforzamento da bordi di grano

Una dislocazione presente in un grano non può semplicemente scivolare nel successivo in quanto i piani di scorrimento non sono allineati ciò crea impilamento dislocazioni. Oltre al blocco legato ai difetti, può capitare che il piano di scorrimento non abbia la direzione preferenziale di scorrimento nell'altro grano. Perciò le dislocazioni si concentrano a bordo grano permettendo di usare queste zone per rafforzare il materiale. Il bordo di grano è una barriera al moto delle dislocazioni per due ragioni: dal momento che i grani hanno differenti orientazioni la dislocazione deve cambiare direzione di movimento e lo stato di disordine in corrispondenza del bordo di grano.

In questo caso il contributo di taglio che deriva dal bordo di grano viene misurato attraverso una costante, detta costante di Petch, rapportata

a , dove è il diametro dei grani: √DDk p=τ √gb D

Questo effetto, quindi, dipende tantissimo dalla dimensione del grano.

Per dimensioni di grano normali, è piccolo e non τD 1÷100 μm gb è una fonte rilevante di resistenza.

Per materiali microcristallini diventa significativo. D<1 μm

L'equazione di Petch non vale per materiali nanocristallini. (D →1 nm) -12=σ + relazione di Hall-Petch σ k dy monocristallo, 0

La relazione di Hall-Petch mi permette di calcolare la nuova sigma di snervamento.

effetto Hall-Petch ES . C .>C . C . C .>C . F . C .

Il modo in cui aumenta la resistenza del materiale al variare della dimensione dei grani dipende dalla cella elementare. L'effetto di Hall-Petch è più notevole su materiali con reticolo esagonale compatto.

Possiamo avere un grano grande o tanti grani piccoli, la superficie di un'unica sfera grande è sicuramente più piccola della

superficie ditante sfere piccole che occupano lo stesso volume. Più le sfere sono piccole, più aumenta la superficie complessiva, più aumentano i bordi di grano. La dislocazione avrà poco spazio per muoversi etanti bordi di grano che potranno bloccarla.

Come al solito il modulo elastico rimane invariato ma diminuisce la duttilità.

Materiali ceramici

Materiali formati dalla combinazione – in rapporti stechiometricamente definiti – di elementi metallici e non metallici, caratterizzati dalla presenza di legami ionici e/o covalenti. Possono essere costituiti da strutture ordinate di atomi (cristalli) oppure da strutture caotiche (vetri).

• Ceramici tradizionali, soprattutto derivati dell’argilla (porcellane, gres, maioliche…), applicazioni strutturali
• Cementi, calci, applicazioni strutturali
• Ceramici ingegneristici (o avanzati o di alta tecnologia: ossidi, carburi, nitruri, boruri, ...)
• Vetri (a base silice: da bottiglie,

da finestra, vetri Pyrex ®... ).La presenza di legami covalenti o ionici porta un'energia molto elevata. Energeticamente molto forte comporta: alta rigidezza, alta resistenza a rottura, alta temperatura di fusione e bassissima dilatazione termica. Direzionale comporta: fragilità. Elettroni non liberi comporta: pessimo conduttore termico ed elettrico, sono buoni isolanti. Parlare di elevata rigidezza vuol dire avere valori del modulo di Young elevati: dal diamante con 1000GPa alla zirconia con 200GPa. Alta resistenza quindi elevata durezza, sempre associata all'energia di legame e al tipo di legame, cioè covalente, con una determinata direzionalità, misurata con durezza Knoop (HK): dal diamante 7000HK (cristallini) al vetro silice 500 HK (amorfi). La curva sforzo deformazione è rappresentata dal solo tratto elastico: retta (vale la legge di Hooke) fino a rottura. Hanno un comportamento del tutto fragile. N.B. I materiali ceramici hanno strutture cristalline di

conseguenzasono presenti tutti difetti (vacanze, dislocazioni, atomi sostituzionalio interstiziali, bordi di grano), il fatto che ci siano dislocazioni nonsignifica automaticamente che il materiale ha un comportamentoplastico. La direzionalità del legame covalente nei materialiceramici ostacola se non impedisce il moto della dislocazione allorasi deformano in campo elastico non nel campo plastico quindi illimite elastico corrisponde sempre al carico di resistenza a rotturadel materiale• Isolanti termici ed elettrici;• Generalmente alto fondenti (Tf allumina = 2054°C; Tf zirconia =2680°C; Tf silice = 1710°C);• Resistono bene alle alte temperature (refrattarietà: mantenereinalterate caratteristiche chimico-fisico-meccaniche anche seesposti per lungo tempo ad alte T);• Resistono bene agli ambienti aggressivi (inerzia chimica);• Possono presentare elevate caratteristiche meccaniche ed elevatadurezza• Sono fragili: si rompono dopo

essersi deformati solo in modo reversibile (deformazioni elastiche);

• Formatura prevalentemente da polveri (da fuso solo per i vetri).

I legami dei ceramici esibiscono una certa percentuale di ionicità, maggiore sarà la differenza di elettronegatività maggiore sarà il carattere ionico.

La deformazione:

A temperatura ambiente la maggior parte dei ceramici subisce rottura prima che si verifichi la deformazione plastica (rottura fragile).

La deformazione plastica è data dal moto delle dislocazioni. Le dislocazioni sono presenti in tutti i materiali cristallini ma nei ceramici il loro moto è impossibile perché nel caso di legami covalenti bisognerebbe rompere contemporaneamente tutti i legami presenti in un piano di scorrimento, far spostare una parte del reticolo di una posizione atomica e far ricreare i legami, non favorita dal punto di vista energetico; nel caso di ceramici ionici le dislocazioni non possono muoversi lungo i piani a più alta

compressione. All'interno della famiglia dei ceramici ci sono due grandi classi:

• ceramici tradizionali;
• ceramici ingegneristici.

ceramici ingegneristici Sviluppati recentemente per applicazioni più sofisticate ed ai quali, pertanto, sono richieste proprietà superiori (ad esempio, una maggiore tenacità a frattura) e soprattutto una maggiore affidabilità. Processi di produzione dei materiali ceramici I materiali ceramici hanno due grossi limiti: temperature di fusione medio-alte (non si può produrre da fuso) e non sono deformabili plasticamente (non si