Tecnologia meccanica - pag. 47-62

Lezione del 15/10/12

RELAZIONI “STRUTTURA-PROPRIETÀ MECCANICHE”

Materiali bifasici

Quando abbiamo un materiale nel quale coesistono due fasi, vuol dire che esiste un’interfaccia tra

le due. L’interfaccia rappresenta un aspetto un po’ critico, una sorta di difetto della struttura, perché

il suo contenuto energetico è decisamente maggiore rispetto quello all’interno dei singoli grani cri-

stallini e delle singole fasi. Questo fatto fa si che sia più facile rompere il materiale in corrisponden-

za dell’interfaccia perché è sufficiente fornire una minor quantità di energia per distruggere

l’interfaccia stessa.

Ma quanta è questa energia presente nell’interfaccia?

Dipende, perché entra in gioco il concetto di bagnabilità: si parla di due fasi che si bagnano recipro-

camente oppure no; per esempio: appoggiando una goccia d’acqua su una superficie, la goccia può

aprirsi e diventare molto ampia di dimensione, oppure rimanere piuttosto “alta” con un’interfaccia

minore. 

In sostanza se l’angolo è minore di 90° si dice che c’è bagnabilità tra le due sostanze, se inve-

ce l’angolo è più grande di 90° la goccia rimane alta sulla superficie e non c’è bagnabilità. Se non

c’è bagnabilità il contenuto energetico dell’interfaccia è alto, altrimenti è più basso. Questo si tradu-

ce nel dire che se c’è bagnabilità le due fasi sono legate meglio e se non c’è bagnabilità è più fa-

cile separare le due fasi. Non è quindi sufficiente conoscere la composizione di un materiale per

sapere come si comporta, perché in base alla bagnabilità il comportamento meccanico cambia anche

di molto. Adesso vedremo una serie di situazioni che si possono presentare e in cui entrano in gioco

molte variabili tra cui la bagnabilità, la forma sotto la quale si presentano le fasi e la loro duttilità o

fragilità.

Vediamo la seguente figura: 41

Ogni colonna rappresenta una situazione diversa: le linee continue identificano la resistenza mecca-

nica della struttura complessiva, espressa sotto la tensione di snervamento; mentre le linee tratteg-

giate rappresentano la duttilità della struttura complessiva espressa come allungamento a rottura.

 Situazione 1. Quando abbiamo due fasi che sono entrambe duttili e si bagnano recipro-

camente, la struttura complessiva si comporta come se esistesse una sola fase. Quando

noi deformiamo, le dislocazioni possono passare da una fase all’altra senza grossi pro-

blemi e le caratteristiche meccaniche sono date dalla media pesata delle due sostanze

presenti.

 Situazione 2. Le cose si complicano quando almeno una delle due fasi è fragile e

l’altra è duttile, bagnandosi reciprocamente. Esistono tre varianti che dipendono dalla

morfologia sotto la quale si presentano le fasi e dalle loro dimensioni:

a) La fase fragile è la matrice, cioè quella presenta in quantità maggiore, al cui

interno ci sono delle particelle duttili. La massa complessiva si comporta

come massa fragile perché le particelle duttili al suo interno praticamente non

influiscono sul comportamento. In genere i materiali fragili non resistono a tra-

zione, infatti si vede che la resistenza allo snervamento a trazione è bassa e la

duttilità è praticamente nulla data la matrice fragile; perciò la linea tratteggiata

va praticamente a zero; però i materiali fragili (duri) possono resistere bene a

compressione come ad esempio il calcestruzzo. La fase secondaria duttile è

come se non ci fosse, ha scarsissima influenza sulle proprietà meccaniche

complessive. 42

b) La matrice è duttile e la fase secondaria è fragile, che si presenta sottoforma

di lamelle o aghi di spessore rilevante. Perciò stiamo parlando di qualcosa di

spessore e dimensioni abbastanza importanti e lo si vede per l’ingrandimento a

25x; gli oggetti scuri rappresentano la fase fragile che si trova all’interno della

fase duttile. In questo caso le lamelle o aghi, se l’oggetto complessivo viene

sottoposto a carico, per il fatto che hanno delle dimensioni abbastanza grandi e

delle forme allungate, determinano una forte concentrazione delle tensioni. Di

conseguenza le proprietà meccaniche ne risentono perché a trazione, dove c’è

una forte concentrazione delle tensioni parte la cricca e il pezzo si rompe: la

duttilità è quindi praticamente a zero. Invece a compressione tutto sommato il

comportamento è abbastanza buono e il fatto che la matrice sia duttile diventa

quasi irrilevante a causa di questa forte concentrazione delle tensioni.

c) Se le lamelle sono di dimensioni più piccole, questo effetto di concentrazione

delle tensioni diventa molto minore e, in effetti, si può vedere che la duttilità

aumenta. Le lamelle, siccome sono più diffuse, in qualche misura cominciano a

diventare un piccolo ostacolo alla diffusione e alla propagazione delle disloca-

zioni. Di conseguenza il materiale risulta un po’ più resistente proprio perché le

lamelle sono più piccole, numerose e diffuse.

d) Abbiamo delle lamelle molto più piccole, infatti passiamo da 100x a 1000x.

In questo caso l’effetto di ostacolo al movimento delle dislocazioni diventa

molto più efficace, per cui la resistenza meccanica aumenta notevolmente e la

duttilità migliora rispetto la situazione precedente. Le lamelle sono più sottili

ed è minore l’effetto di concentrazione delle tensioni, perciò il materiale riac-

quista quasi la duttilità che aveva la matrice senza la presenza della seconda fa-

se. Abbiamo il beneficio di quest’ ostacolo al movimento delle dislocazioni con

una perdita, di solito assolutamente accettabile, di duttilità. Fra l’altro questo

ostacolo al movimento delle dislocazioni determina un rapido incrudimento del

materiale e anche questo contribuisce ad aumentarne la resistenza.

 Situazione 3. Abbiamo sempre la stessa matrice duttile, ma la fase fragile seconda-

ria è presente sotto forma globulare, non più di lamelle; questa fase ha un aspetto di

palline di materiale fragile. Analizziamo le due situazioni possibili, in relazione alle di-

mensioni della seconda fase.

a) In questo caso se le particelle sono tutto sommato di dimensioni grandi,

100x, la loro presenza non altera in nessun modo la resistenza né la duttilità,

che rimangono le stesse della matrice, perché le dislocazioni possono facilmen-

te girare intorno a questi globi di materiale fragile. La loro presenza è quindi ir-

rilevante, inoltre non c’è effetto di intaglio perché avendo forma globulare non

c’è concentrazione delle tensioni.

b) Molto più interessante è la situazione in cui le particelle sono ancora di tipo

sferoidale ma sono molto più piccole, l’ingrandimento infatti passa da 100x a

10000x, sono anche numerosissime. Ritorna in gioco quell’effetto di rallenta-

mento, di ostacolo al movimento delle dislocazioni che diventa più efficace ri-

spetto la situazione precedente proprio perché le particelle sono molto piccole.

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Ciò vuol dire che quando all’interno di una fase primaria duttile riusciamo a

produrre delle particelle globulari piccolissime di materiale fragile, è il mecca-

nismo più efficace tra quelli fin qui considerati per aumentare la resistenza

meccanica della matrice. La duttilità è “bassetta” e, di fatto, in questo caso la

matrice duttile funge quasi come un legante tra tutte le particelle dure e fragili

presenti come fase secondaria. Questo tipo di meccanismo per indurire i mate-

riali si usa in quelli per utensili per asportazione.

c) Una situazione che nell’immagine non è presa in considerazione, che sarebbe

appunto la 3c, è quella in cui le particelle fragili (c’è sempre bagnabilità) in

questo caso si trovano sia all’interno dei singoli grani cristallini, sia

all’interfaccia tra un grano e l’altro. In questa situazione le particelle hanno

l’effetto positivo di consentire un rapido incrudimento del materiale, perciò si

hanno prestazioni meccaniche migliori, ma il fatto che siano presenti anche

dentro i grani cristallini migliora anche il comportamento ad alta temperatura:

in sostanza migliora la resistenza al creep. Vi ricordo che se un materiale viene

sollecitato ad alta temperatura, lentamente, la deformazione non avviene più

all’interno dei grani cristallini sotto forma di movimento di dislocazioni, ma

avviene come spostamento di un grano rispetto quelli adiacenti. Queste parti-

celle dure presenti sui bordi dei grani ostacolano questi spostamenti fra grano e

grano e di conseguenza anche la resistenza al creep viene migliorata.

 

Situazione 4. Nell'ultima situazione, la peggiore, abbiamo ancora la matrice duttile e



una fase secondaria fragile ma non c’è bagnabilità; quindi il contenuto energetico

all’interfaccia è alto: vuol dire che applicando un piccolo carico è possibile separare le

due fasi. In sostanza il fatto che non ci sia bagnabilità è come se ci fosse già un