Sintesi per esame Scienza e Tecnologia del materiali

Proprietà meccaniche dei materiali

Le proprietà meccaniche dei materiali sono delle risposte (quantificabili) del comportamento del materiale soggetto ad azioni meccaniche; si determinano attraverso le specifiche prove elencate.

Diagramma sforzo-deformazione

Applicando uno sforzo di trazione a provini dalla forma definita, è possibile ricavare il cosiddetto diagramma sforzo-deformazione: un diagramma che indica come risponde un determinato materiale quando, applicato uno sforzo, si produce una certa deformazione.

Nel diagramma sforzo-deformazione, definito lo sforzo come la forza/superficie su cui agisce e la deformazione come la variazione di deformazione prodotta/lunghezza iniziale del campione, si osservano due tratti: un primo tratto elastico ed un secondo tratto plastico.

L'elasticità è quella deformazione che si produce quando viene applicato uno sforzo, e che si ripristina una volta che lo sforzo viene tolto. Deformazione non permanente.

La plasticità è quella deformazione permanente, dopo che viene rimosso lo sforzo applicato, rimane una certa deformazione.

Modulo elastico

Il tratto elastico fornisce il valore del Modulo di Young (E): la resistenza che un materiale oppone a una deformazione di tipo elastico. È una misura della rigidità del materiale. In generale, più la retta del tratto elastico è vicina all'asse delle y, maggiore è E e quindi più rigido sarà il materiale. Viceversa più la retta è schiacciata sull'asse delle x, minore è E e quindi il materiale è meno rigido. La rigidità è fondamentale per la progettazione per poter dimensionare gli oggetti nel modo più consono.

Per caratterizzare il tratto elastico dei materiali è necessario anche il Modulo di Poisson, che è una misura della contrazione del materiale lungo il piano quando viene tirato lungo un'altra direzione. Importante è anche il Modulo di scorrimento (G), ovvero la resistenza che il materiale oppone ad una deformazione a taglio.

Dal diagramma sforzo-deformazione si ricava lo sforzo di snervamento, lo sforzo che segna il passaggio da un comportamento del materiale di tipo elastico ad un comportamento di tipo plastico. Per convenzione è lo sforzo che produce una deformazione residua dello 0.2%, perché nei diagrammi sperimentali la transizione tra il tratto elastico e quello plastico non sempre è ben visibile.

Lo sforzo di snervamento è un parametro molto importante per la progettazione: se si progetta basandosi sulla resistenza è opportuno considerare come limite lo sforzo di snervamento e non lo sforzo di rottura, in cui la deformazione plastica è eccessiva.

Il tratto plastico è fondamentale per quanto riguarda la formatura: formando un oggetto la forma del materiale cambia, è necessario quindi sapere quanto sforzo applicare prima che il materiale si rompa e quanta deformazione plastica posso avere nel materiale prima della rottura.

Il punto di riferimento è lo Sforzo di rottura, per convenzione corrisponde al massimo punto raggiunto dal diagramma sforzo-deformazione ed è quel valore di sforzo applicando il quale si produce la rottura del materiale.

Per quanto riguarda la deformabilità si misura l'Allungamento percentuale a rottura: quanto si è allungato il campione quando è arrivato a rottura rispetto alla sua dimensione originale. Più si è allungato e più il materiale è deformabile plasticamente. È una misura della duttilità del materiale.

La forma della curva del diagramma sforzo-deformazione cambia al variare dei materiali. Nei materiali metallici dopo lo snervamento si ha un aumento dello sforzo necessario per produrre la deformazione (incrudimento); arrivato al massimo lo sforzo diminuisce perché, facendo riferimento alla sezione iniziale del materiale, si produce una strizione che fa sì che la forza sia applicata su una sezione più piccola.

Frattura duttile - fragile

Il diagramma sforzo-deformazione mi indica come si comporta il materiale a frattura (fragile o duttile), inoltre l'area sotto la curva è una misura dell'energia che viene spesa per portare a rottura il materiale (tenacità).

• In un materiale fragile ho una deformazione elastica seguita da nessuna o piccola deformazione plastica. Rottura "di schianto", la frattura si propaga rapidamente all'interno del materiale (ceramici, acciai al carbonio a bassa temperatura, vetri).
• In un materiale duttile ho la rottura dopo una estesa deformazione plastica (metalli, termoplastici al di sopra Tg).

Energie alla rottura del materiale (tenacità, resilienza)

• Tenacità: energia necessaria per la frattura di un materiale (sotto carico statico) (da diagramma sforzo-deformazione).
• Resilienza: energia necessaria per portare a rottura il materiale in condizioni di carico dinamico (alta velocità di deformazione) (da prova di resilienza, con pendolo).
• Tenacità a frattura: valore critico del fattore di intensificazione degli sforzi in presenza di un difetto; è una misura della capacità che un materiale ha di opporsi alla propagazione della frattura quando è presente un difetto (da prova di tenacità a frattura). Misura della capacità di un materiale di opporsi alla propagazione della frattura in presenza di difetti.

Durezza

La durezza è una misura della resistenza del materiale ad una deformazione plastica localizzata. Fornisce una misura sulla resistenza all'abrasione, oltre ad essere anche collegata empiricamente con lo sforzo di snervamento e di rottura dei materiali.

La prova di durezza interessa una porzione molto piccola del materiale, non è distruttiva e non provoca la rottura del materiale. Si effettua con un penetratore che, sotto il carico prescelto, penetra la superficie del provino. Il penetratore poi viene rimosso dalla superficie lasciando l'impronta che viene misurata. Più grande è l'impronta, meno duro è il materiale, e viceversa.

Fatica

I fenomeni di fatica consistono nella riduzione della resistenza di un materiale a causa della variazione periodica e ripetuta nel tempo di sforzo e deformazione. Ad esempio, se applico un carico costante nel tempo, so che per un materiale la rottura avviene per uno sforzo che è pari allo sforzo di rottura. Se invece ho un cambiamento periodico/ciclico nel tempo (apertura e chiusura di una porta, etc.), allora il materiale si andrà a rompere ad un valore dello sforzo inferiore allo sforzo a rottura del materiale stesso. La rottura per fatica è diversa sia dalla rottura fragile che da quella duttile.

Creep

Il Creep è il cosiddetto scorrimento viscoso a caldo: applicando uno sforzo costante la deformazione aumenta nel tempo. Nei metalli può provocare una deformazione elastica e plastica arrivando alla rottura, nei polimeri invece, avendo fenomeni viscoelastici, posso avere deformazione elastica riassorbita senza arrivare a rottura. Il Creep diventa importante per una temperatura superiore alla metà della temperatura assoluta di fusione: per i materiali con temperatura di fusione alta comincia ad essere importante alle alte temperature; per quelli che hanno temperatura di fusione bassa diventa importante anche alle basse temperature.

T > 0.5 T assoluta di fusione (Tfus (K))

Materiali metallici

Nei materiali metallici abbiamo atomi di metalli con possibile aggiunta di atomi non metallici (materiale inorganico), tenuti insieme dal legame metallico. Il legame metallico è un legame forte dove gli atomi sono sistemati in una struttura cristallina in cui gli elettroni di valenza vengono condivisi da tutti gli atomi presenti (nube elettronica).

• Gli elettroni liberi rendono il materiale un buon conduttore elettrico e termico.
• Essendo un legame forte si ha un alto modulo di elasticità.
• Legame che se rotto si riesce a riformare con facilità (materiale duttile).
• Legame non direzionale, consente agli atomi di essere sistemati nello spazio anche in modo meno rigido.