Strutture

La struttura dei materiali

Materiali per costruzione

Il materiale può essere la differenza tra due oggetti apparentemente identici, di cui uno funziona bene e dura vent’anni e l’altro si rompe subito o dura pochissimo. Ad esempio, un coltello dell’Ikea costerà meno di uno comprato dal ferramenta ma durerà di meno, c’è una differenza importante di materiale. In questo caso si parla della durezza, cioè la resistenza alla deformazione superficiale. Devono avere anche un minimo di tenacità e resilienza. Trattandosi di coltelli in acciaio, deve essere anche resistente alla corrosione, caratteristica dei materiali in lega. Altra proprietà rilevante, non deve essere composto di materiali tossici.

Quindi, l’insieme di queste proprietà e la scelta dei materiali è un compromesso accurato che riguarda quella specifica applicazione, quindi prevede i materiali migliori, c’è molta ricerca e i costi possono essere elevati. Quasi tutti i componenti meccanici devono essere progettati in modo che la tensione equivalente all’interno del pezzo sia sempre minore del carico di snervamento perché nel momento in cui avviene una deformazione plastica (non perfora uno svezzamento) viene considerato rotto nella progettazione. Invece, nelle tecnologie di produzione lo stesso parametro rappresenta un criterio di plasticità: dobbiamo necessariamente raggiungere il carico di snervamento per ottenere una deformazione plastica.

Classificazione dei materiali da costruzione

I materiali da costruzione vengono classificati in base alla loro natura chimica. Abbiamo materiali metallici molto importanti nella meccanica e nel settore edilizio, e abbiamo un'ulteriore divisione tra le leghe ferrose, quindi con una prevalenza di ferro che comprende gli acciai e le ghise, che hanno un rapporto di resistenza e costo molto elevato. Poi ci sono i metalli non ferrosi come alluminio, rame, magnesio, titanio; in particolare le leghe di alluminio hanno un miglior rapporto tra resistenza meccanica e densità.

Sostanze amorfe e cristalline

Le sostanze solide possono presentarsi allo:

• Stato amorfo: Atomi e molecole occupano lo spazio in modo disordinato, come nei liquidi. Le sostanze amorfe (vetri, alcuni polimeri, ecc.) sono liquidi ad alta viscosità con fortissimo attrito interno, tale da vincere l’azione della gravità.
• Stato cristallino: Atomi disposti ordinatamente e legati a determinate posizioni. Questo reticolo geometrico spaziale può avere diverse possibilità di simmetria. Considerando una porzione del reticolo cristallino, la più piccola possibile ma tale da conservare ancora tutte le caratteristiche di simmetria del cristallo, otteniamo una cella elementare.

I reticoli cristallini furono ipotizzati da Bravais nel 1850 allo scopo di poter disporre di modelli per la spiegazione di determinate proprietà dei materiali. In seguito, l’esame ai raggi X ha permesso di rivelarne la reale esistenza.

Le strutture cristalline

I metalli e le leghe vengono ottenuti per solidificazione dalla fase liquida; durante la solidificazione, gli atomi si organizzano per minimizzare l’energia libera. Ci sono sette tipi di sistemi cristallini che danno origine a tutti i tipi possibili di reticolo, con possibili varianti nell’unità elementare base, a seconda del materiale, la temperatura e la pressione:

• Semplice
• Corpo centrato
• Facce centrate
• Base centrata

Strutture cristalline più comuni nei metalli

Il tipo di sistema cristallino ha un’influenza molto importante sulle proprietà meccaniche. A noi interessano tre celle unitarie: Cubica a corpo centrato (CCC), Cubica a facce centrate (CFC), Cella esagonale compatta (EC).

Cubica a corpo centrato (CCC)

Vediamo la struttura cristallina caratterizzata da una cella unitaria a corpo centrato e da piani a minore densità atomica rispetto ad altre strutture; di conseguenza, la tensione di taglio necessaria per provocare scorrimento risulta alta. In sostanza, la cella unitaria è composta da 4 atomi nella faccia superiore, 4 atomi nella faccia inferiore e un atomo al centro. Ogni cristallo o materiale monocristallino è composto da una cella unitaria ripetuta più volte nello spazio. I metalli con questa struttura sono i più duri e resistenti (ferro, quindi l’acciaio, ferro Alfa è uno stato alotropico del ferro a temperatura ambiente, quindi in sostanza acciaio a temperatura ambiente, cromo, molibdeno, tungsteno e vanadio, quindi sono tutti metalli duri e resistenti, perché solitamente la durezza è legata anche alla resistenza).

Cubica a facce centrate (CFC)

Qui vediamo la struttura cristallina caratterizzata da una cella unitaria a facce centrate, abbiamo 5 atomi su tutte le facce, quindi è caratterizzata da piani ad alta densità atomica che conferiscono una minore tensione di taglio necessaria per provocare scorrimento (metalli duttili, alluminio, rame, argento, oro).

Esagonale compatta (EC)

La struttura cristallina è caratterizzata da una cella unitaria esagonale, abbiamo 7 atomi sulla faccia superiore, 7 sulla faccia inferiore e 3 atomi al centro. In questo caso non è una questione di densità atomica, ma ci sono pochi piani di scorrimento; di conseguenza, i metalli sono fragili e non si deformano plasticamente (magnesio e titanio).

Anisotropia

Una struttura reticolare ha proprietà fisiche e meccaniche diverse a seconda delle direzioni o dei piani considerati. A seconda del piano che scelgo, la distanza tra atomi è diversa. Quindi, quando diciamo densità atomica elevata, gli atomi sono più vicini e quindi la densità atomica del piano A è maggiore del piano B, che a sua volta è maggiore del piano C. Quindi, a livello del singolo grano, ottengo delle proprietà meccaniche diverse a seconda della direzione all’interno di un metallo.

Tensione tangenziale di scorrimento

È quella tensione necessaria per ottenere una deformazione permanente e quindi uno scorrimento atomico, e nei metalli è proporzionale alla distanza tra atomi nel piano e inversamente proporzionale alla distanza tra piani di atomi.

Densità atomica e scorrimento

Cristallizzazione dei metalli puri

Finora abbiamo parlato di elementi metallici monocristallini perfetti. Durante la solidificazione, otteniamo sempre leghe metalliche e si verificano rallentamenti locali. Avvicinandoci alla temperatura di solidificazione, due atomi che si trovano vicini e hanno un moto sufficientemente lento si legano, poi arriva un altro atomo e si lega (si chiama centro di cristallizzazione). Da qui parte la solidificazione. Ci sono diversi centri di cristallizzazione che si formano contemporaneamente all'interno del liquido; poi crescono i grani poliedrici finché non incontrano un altro grano, formando il bordo di grano, con legami irregolari in questa zona. La solidificazione è completa.

Nella fonderia, la solidificazione avviene grazie allo scambio termico tra la lega liquida e il contenitore. La lega liquida perde energia attraverso il contenitore, la sabbia oppure lo stampo metallico. Talvolta dai primi individui cristallini (cristalli primari) si dipartono, durante l’accrescimento, nuovi cristalli secondo altre direzioni (cristalli secondari) e da questi altri ancora. La struttura che si ottiene prende il nome di struttura dendritica (dal greco déndron, albero). Anche in questo caso la crescita si arresta per interferenza.

Difetti puntuali nei cristalli

I difetti possono essere puntuali e possono avere la presenza di atomi estranei che possono sostituire un atomo di quelli prevalenti, oppure possono inserirsi tra gli atomi. Nel primo caso sono sostituzionali, nel secondo caso sono interstiziali. Questi atomi sforzano il reticolo e ostacolano lo scorrimento atomico; di conseguenza, la presenza di atomi strani va ad aumentare la resistenza meccanica. Possiamo avere anche la mancanza di atomi in certe posizioni, la vacanza reticolare è un posto del reticolo non occupato.

Dislocazioni

Le dislocazioni sono imperfezioni lineari formatesi durante la crescita dei cristalli o a seguito di sollecitazioni esterne. Esistono dislocazioni di diverso tipo (a spigolo, ad elica). La presenza delle dislocazioni spiega il fenomeno per cui lo sforzo tangenziale Ts per provocare lo scorrimento secondo piani preferenziali risulta molto inferiore rispetto allo sforzo calcolato basandosi sull’energia di legame. Ts risulta minore per dislocazioni di maggior lunghezza e quindi per grani di dimensioni maggiori. La teoria delle dislocazioni spiega il fenomeno della deformazione plastica: lo sforzo tangenziale Ts per provocare scorrimento secondo piani preferenziali risulta molto inferiore rispetto allo sforzo calcolato basandosi sull'energia di legame. Ts risulta minore per dislocazioni di maggior lunghezza e quindi per grani di dimensioni maggiori. La conseguenza è la struttura a mosaico del singolo cristallo costituito da blocchi atomici.

Il fenomeno dell’incrudimento

Le dislocazioni provocano un fenomeno chiamato incrudimento. Nel momento in cui vado a deformare il materiale, le dislocazioni iniziano a scorrere, quindi in campo plastico, inizia la deformazione plastica permanente; però, a un certo punto, ho esaurito tutti i percorsi possibili di deformazioni. Quindi devo applicare un’attenzione maggiore per provocare condizioni di scorrimento nuove a maggior costo. Più vado avanti con la deformazione, più devo creare nuove condizioni di scorrimento a maggior costo, aumentando la forza necessaria per ottenere la deformazione permanente. Il metallo presenta così un accumulo di dislocazioni, un conseguente accumulo di energia potenziale, e una più elevata durezza e resistenza. Questo stato di coazione determina l’incrudimento del materiale e può essere più o meno rapido a seconda del materiale e del tipo di sollecitazione applicata. L’incrudimento aumenta le caratteristiche di resistenza meccanica, la durezza e il limite elastico della curva sforzo-deformazione. Allo stesso tempo, diminuisce la deformabilità del materiale (malleabilità, duttilità), la lavorabilità alle macchine utensili, la resistenza all’urto (resilienza) avendolo reso più fragile.

Se riscaldiamo il nostro materiale al di sopra di una certa temperatura, che si chiama temperatura di ricristallizzazione, iniziano a formarsi nuovi grani. Il sistema vuole sempre minimizzare l’energia libera.