Post on 20-Oct-2020
Corso di Tecnologia dei Materiali ed Elementi di Chimica
Docente: Dr. Giorgio Pia
La Scienza dei Materiali
Struttura eproprietà
Metalli Leganti Ceramici evetri
Polimeri ecompositi
Materialinaturali
Degrado deimateriali
Sostenibilità
• Due principali meccanismi: omogeneo ed eterogeneo
• Nucleazione omogenea:
Caso principale e più semplice
Il metallo stesso fornirà atomi per formare nuclei
Il metallo, quando sottoraffreddato in modo significativo, ha molti atomi che si muovono lentamente che si legano tra loro per formare i nuclei
Gruppo di atomi al di sotto della dimensione critica è detto embrione
Se i gruppi di atomi raggiungono la dimensione critica, crescono nei cristalli. Gli altri si dissolvono
I gruppi di atomi di dimensione maggiore della dimensione critica sono chiamati nuclei
La nucleazione eterogenea avviene in un liquido sulla superficie del materiale strutturale. Es.: impurezze insolubili
• Queste strutture, dette agenti nucleanti, abbassano l’energia libera richiesta per formare nuclei stabili
• Gli agenti nucleanti abbassano anche la dimensione critica
• Per la solidificazione è richiesta una quantità minore di sottoraffreddamento
• Usata ampiamente nelle industrie
Solid
ific
azio
ne
• I metalli vengono fusi per produrre prodotti finiti e semilavorati
• Due stadi di solidificazione
Nucleazione: formazione di nuclei stabili
Crescita dei grani: formazione della struttura a grani
• Gradienti termici definiscono la forma dei grani
Solid
ific
azio
ne
Solu
zio
niS
olid
e
Sostituzionali Piano (111) cella CFC
Interstiziali
• Gli atomi di soluto si inseriscono tra i vuoti (interstizi) degli atomi di solvente
• Gli atomi di solvente in questo caso dovrebbero essere più grandi degli atomi di soluto
• Esempio: tra 912 e 1394 °C, si forma la soluzione solida interstiziale di carbonio nel ferro γ (CFC)
• Un massimo di 2.08% di carbonio può dissolversi negli interstizi del ferro
• Gli atomi di soluto si inseriscono nelle posizioni libere del reticolo normalmente occupate dagli atomi di solvente
Atomi di carbonio, r = 0.075nm
Atomi di ferro, r = 0.129nmDifferenza del raggio atomico: 42%
In una struttura CFC del ferro γ il raggio dell’interstizio vuoto è di 0.053 nm, Si capisce perché la solubilità del carbonio sia solo del 2.08%
In una struttura CCC del ferro γ il raggio dell’interstizio vuoto è di 0.036 nm, Si capisce perché appena sotto 723°C la solubilità del carbonio sia solo del 0.025%
Solid
ific
azio
ne
Dif
etti
Di puntoDi Superficie
• Influenza le proprietà meccaniche del materiale
• Minore è la dimensione di grano, maggiori sono i bordi di grano
• Maggiori bordi di grano significa maggiore resistenza allo scorrimento (la deformazione plastica è dovuta allo scorrimento)
• Più grani significa proprietà meccaniche più uniformi
• I bordi di grano separano i grani• Formati dalla crescita simultanea di cristalli che si incontrano• Larghezza = 2-5 diametri atomici • Alcuni atomi si trovano in posizioni deformate nei bordi di grano e alzano
l’energia di quest’area.
Corso di Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata
Diffusione Atomica nei solidi
Velocità dei processi nei solidi
• Le reazioni avvengono allo stato solido portando a una disposizione atomica più stabile
• Gli atomi che reagiscono devono avere energia sufficiente per superare la barriera di energia di attivazione
• A una data temperatura, non tutti gli atomi hanno energia di attivazione E*. Deve essere fornita
E*
Er
EP
ΔE*Energia attivazione
Energia rilasciatanella reazione
Coordinata di reazione
Reagenti
Prodotti
Er = Energia dei reagentiE* = Livello energia di attivazioneΔE* = Energia di attivazioneEp = Energia di prodotto
Diffusione atomica nei solidi
Diffusione
Diffusione atomica nei solidi
Diffusione
Diffusione atomica nei solidi
Diffusione per vacanza o sostituzionale
• Esempio: se l’atomo ‘A’
ha sufficiente energia di
attivazione, si muove nella
vacanza diffusione
• Se aumenta il punto di fusione, aumenta anche l’energia di attivazione
Energia di attivazione didiffusione
Energia diattivazioneper formareuna vacanza
Energia diattivazioneper muovere una vacanza
= +
Diffusione atomica nei solidi
Autodiffusione
Diffusione atomica nei solidi
Diffusione per meccanismo interstiziale
• Gli atomi si muovono da un
sito interstiziale ad un altro
• Gli atomi che si muovono devono essere più piccoli degli atomi della matrice
• Esempio:
il carbonio diffonde
interstizialmente nel ferro α
CCC o nel ferro γ CFCAtomi interstiziali
Atomimatrice
Diffusione atomica nei solidi
Diffusione allo stato stazionario
• Non c’è variazione nella concentrazione di atomi di soluto a differenti piani in un sistema, in un periodo di tempo
• Non avviene nessuna reazione chimica. Solo flusso netto di atomi
C1
C2
Flusso netto di atomiper unità di superficieper unità di tempo = J
Flusso di atomi di soluto
Atomidiffusi
Unitàdisuperficie
Concentrazionedi atomi diffusi
Distanza x
Diffusione atomica nei solidi
Legge di Fick
• Il flusso di atomi è dato da
I.e. per la condizione di diffusione allo stato stazionario, il flusso netto di atomi per diffusione atomica è uguale alla diffusione D per il gradiente di diffusione dc/dx
• Esempio: diffusività del ferro CFC a 500oC è 5 x 10-15
m2/S ed a 1000oC è 3 x 10-11 m2/S
dx
dcDJ
J = flusso netto di atomiD = coefficiente di diffusione
dx
dc= gradiente di concentrazione
Diffusione atomica nei solidi
Diffusività
• La diffusività dipende da tipo di diffusione: se la diffusione è interstiziale o
sostituzionale
temperatura: quando la temperatura aumenta, la diffusività aumenta
tipo di struttura cristallina: il cristallo CCC ha APF = 0.68 rispetto al cristallo CFC (APF = 0.74 ) e quindi ha maggiore diffusività. Inoltre in CCC gli spazi interatomici sono maggiori che in CFC.
tipo di difetti del cristallo: strutture più aperte (bordi di grano) aumenta la diffusione
concentrazione delle specie diffuse: maggiori concentrazioni degli atomi di soluto diffusi influenzeranno la diffusività
Diffusione atomica nei solidi
Diffusività
Diffusione atomica nei solidi
Diffusione allo stato non stazionario
• La concentrazione di atomi di soluto in ogni punto del metallo varia con il tempo
• Seconda legge di Fick: la velocità di variazione composizionale è uguale alla diffusività per la velocità di variazione del gradiente di concentrazione
dx
dcD
dx
d
dt
dC xx
Piano 1 Piano 2
Variazione di concentrazione di soluto Atomi con variazioni nel tempo su piani differenti
Diffusione atomica nei solidi
Seconda legge di Fick
• Cs = concentrazione di superficie di
un elemento nel gas che diffonde
nella superficie
• C0 = concentrazione iniziale uniforme
di un elemento nel solido
• Cx = concentrazione di un elemento a
distanza x dalla superficie al
tempo t1• x = distanza dalla superficie
• D = diffusività del soluto
• t = tempo
Distanza x
C0
Cx
Cs
Tempo = t2
Tempo= t1
Tempo = t0
x
ts
xs
D
xerf
CC
CC
20
Diffusione atomica nei solidi
Applicazioni industriali
• Elementi striscianti e rotanti necessitano di superfici dure
• Questi elementi sono di solito lavorati con acciaio a basso carbonio perché facilitano la lavorazione
• La loro superficie è temprato per carburazione
• Elementi in acciaio sono posti ad elevata temperatura (927°C) in un’atmosfera di gas idrocarburo (CH4)
• Il carbonio diffonde nella superficie di ferro e riempie lo spazio interstiziale rendendolo più duro
Diffusione atomica nei solidi
Applicazioni industriali
Parti in acciaioa basso tenore di carbonio
Atomi di carboniodiffusi
C %
Gradienti di carbonio nei metalli carburati
Corso di Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata
Proprietà meccaniche dei metalli
• La maggior parte dei metalli sono fusi in una fornace• La lega viene fatta, se richiesta• Vengono poi colati grandi lingotti • Lastre e piatti sono prodotti dai lingotti per
laminazione si ottengono semilavorati • Profilati e altre forme sono prodotte per estrusione • Alcuni piccoli componenti possono essere colati
come prodotti finiti Esempio: pistone di automobile
I metalli
La fusione
Processo di fonderia
Stampo per fonderia
I metalli
La fusione
• Laminazione a caldo Ampie riduzioni di spessore in un passaggio
• La laminazione viene svolta sopra la temperatura di ricristallizzazione
• Lingotti preriscaldati a circa 1200°C
• Lingotti riscaldati tra i passaggi, se richiesto
• Di solito, sono
usate 4 serie di
laminatoi
I metalli
Laminazione a caldo di acciai
• La laminazione a freddo è una laminazione eseguita al di sotto della temperatura di ricristallizzazione
• Questo causa incrudimento • Lastre laminate a caldo
devono essere ricotteprima della laminazionea caldo
• Vengono usate seriedi 4 laminatoi
• Minore riduzione di spessore
• Occorre maggiore potenza
I metalli
Laminazione a freddo di lastre di metallo
% lavorazione a freddo =Spessore iniziale – Spessore finale
Spessore inizialex 100
I metalli
Laminazione a freddo
• Il metallo ad alta pressione
è forzato attraverso una
apertura nella matrice
• Prodotti comuni sono
barre cilindriche, tubi
cavi di rame,
alluminio, etc.
• Normalmente eseguito ad
alta temperatura
• L’estrusione indiretta necessita
di potenza inferiore, ma ha un
limite di carico applicato
Contenitore
Contenitore
Metallo
Metallo
Matrice
estrusionediretta
estrusioneindiretta
I metalli
Estrusione
• Il metallo, normalmente caldo, è martellato o pressato nella forma desiderata
• Tipologie: Matrice aperta: Matrici piane
e di forma semplice
* Esempi: assi o semiassi in acciaio
Matrice chiusa: Matrici con
impronta sopra e sotto
* Esempi: Barre di connessionedel motore di auto
• La forgiatura aumenta le proprietà
strutturali, rimuove la porosità e
aumenta l’omogeneità
Forgiatura diretta
Forgiatura indiretta
Matrici
Metallo
I metalli
Forgiatura
• Trafilatura: La barra o il filo di partenza è trafilata attraverso una serie di matrici di trafilatura per ridurre il diametro
• Imbutitura: usata per ottenere coppe, come articoli da lastre di metallo
% lavorazione = a freddo
Variazione area resistente
Area inizialeX 100
Filo o barra
Punta in carburo
I metalli
Trafilatura
• I metalli vanno incontro a deformazione sotto l’azione di una forza assiale a trazione
• Deformazione elastica: il metallo ritorna alla sua dimensione iniziale quando la forza a trazione è rimossa
• Deformazione plastica: il
metallo è deformato a un
valore tale che non è possibile
recuperare la sua
dimensione iniziale
I metalli
Sforzo e deformazione dei metalli
Deformazione plastica dei metalli
Sforzo nominale σ =
A0Δl
A
F (forza a trazione assiale media)
A0 (superficie resistente iniziale)
Unità dello sforzo: PSI or N/m2 (Pascal)
Deformazione nominale = ε =Variazione lunghezza
Lunghezza iniziale
0
0
0
0
Unità della deformazione: in/in o m/m
I metalli
Sforzo e deformazione nominale
0 w0 w
. z
y
alelongitudin
laterale
)(
)(Rapporto di Poisson =
0
0
ww
Solitamente il rapporto di Poisson varia tra 0.25 e 0.4.
Esempi: Acciaio inossidabile 0.28Rame 0.33
I metalli
Modulo di Poisson
I metalli
Costanti elastiche
τ = sforzo di taglio = S (forza di taglio)
A (superficie applicazione forza di taglio)
Deformazione di taglio γ = spostamento a taglio
distanza “h” sulla quale agisce lo sforzo
Modulo elastico G = τ / γ
I metalli
Sforzo e deformazione di Taglio
• La resistenza meccanica dei materiali può essere testata tirando il metallo fino a rottura
Provino
Estensimetro
I dati di forza sono ottenuti dalla cella di caricoI dati di deformazione sono ottenuti dall’estensimetro
Cella di carico
I metalli
Prova a trazione
Provini utilizzati
Tipica curva sforzo/deformazione
I metalli
Prova a trazione
Al ad alta resistenza
Il modulo di elasticità
I metalli
Proprietà meccaniche ottenute dalla prova a trazione
Il carico di snervamento ad una deformazione dello 0.2%
Il carico di rottura
L’allungamento percentuale a rottura
La strizione percentuale a rottura
• Modulo di Elasticità (E): lo sforzo e la deformazione hanno una relazione lineare nel campo elastico (Legge di Hook)
Maggiore la resistenza di legame, maggiore il modulo di elasticità
• Esempi: Modulo di elasticità dell’acciaio: 207 GPaModulo di elasticità dell’alluminio: 76 GPa
E = σ (sforzo)
ε (deformazione)
s
Porzione lineare della curvasforzo/deformazione
Δε
Δσ E =
Δσ Δε
I metalli
Proprietà meccaniche
I metalli
Proprietà meccaniche
• Lo sforzo di snervamento è lo sforzo al quale il metallo o la legamostrano una significativadeformazione plastica
• offset sforzo di snervamento a 0.2%è quello sforzo al quale avviene unadeformazione plastica pari allo 0.2%
• La linea di costruzione, che parteallo 0.2% di deformazione, parallela al campo elastico, è disegnata per trovare l’offset dello sforzo di snervamento a 0.2% di deformazione
I metalli
Sforzo di snervamento
I metalli
Sforzo di snervamento
• Lo sforzo a rottura a trazione (sr) è il massimo sforzo raggiunto in una curva sforzo/deformazione
• La strizione inizia quando è raggiunto sr
• Più duttile è il metallo, maggiore
è la strizione prima della rottura
• Lo sforzo aumenta fino a rottura. La
diminuzione nella curva s/ è dovuta
al calcolo dello sforzo basato sull’area
iniziale.
Al 2024-Ricotto
Al 2024-Temprato
SforzoMPa
deformazione
Punto di strizione
Curve s/ di Al 2024 con duediversi trattamenti termici.il provino duttile ricottosi striziona di più
I metalli
Sforzo a rottura
I metalli
Sforzo a rottura
• L’allungamento percentuale è una misura della duttilità di un materiale
• È l’allungamento del metallo prima della rottura, espresso come percentuale della lunghezza iniziale
% allungamento =
• Misurata usando un calibro unendo le due parti fratturate
• Esempio: allungamento percentuale di Al puro 35%
per la lega di alluminio 7076-T6 11%
Lunghezza finale – Lunghezza iniziale
Lunghezza iniziale
I metalli
Allungamento percentuale
X 100
• La riduzione percentuale di area è un’altra misura della duttilità
• Il diametro della zona
fratturata si misura
con un calibro
• La riduzione percentuale di
area nei metalli diminuisce in
presenza di porosità
% riduzionearea =
Area iniziale – Area finale
Area finale
Curve s/ per diversi metalli
I metalli
Riduzione percentuale d’area
X 100
• Lo sforzo e la deformazione reali si basano sulla superficie resistente e la lunghezza istantanea
• Sforzo reale = σt =
• Deformazione reale = εt =
• Lo sforzo reale è sempre maggiore dello sforzo nominale
F
Ai (superficie istantanea)
i
i
A
ALn
l
lLn
di 0
00
I metalli
Sforzo e deformazione reale
• La durezza è una misura della resistenza di un metallo alla deformazione (plastica) permanente
• Procedura generale:
Premere il penetratore,che è più duro del
metallo, sulla superficiedel metallo
Sollevare il penetratore
Misurare la durezzamisurando la profondità
e la larghezzadell’impronta Strumento per la
durezza Rockwell
I metalli
Durezza e prova di durezza
I metalli
Prove di durezza
La prova di durezza è molto più semplice da realizzare rispetto ad una prova a trazione e può essere di tipo non distruttivo.
Per questo motivo è diffusa nel mondo dell’industria.
Corso di Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata
Proprietà meccaniche dei metalli
Sforzo nominale σ =
A0Δl
A
F (forza a trazione assiale media)
A0 (superficie resistente iniziale)
Unità dello sforzo: PSI or N/m2 (Pascal)
Deformazione nominale = ε =Variazione lunghezza
Lunghezza iniziale
0
0
0
0
Unità della deformazione: in/in o m/m
I metalli
Sforzo e deformazione nominale
0 w0 w
. z
y
alelongitudin
laterale
)(
)(Rapporto di Poisson =
0
0
ww
Solitamente il rapporto di Poisson varia tra 0.25 e 0.4.
Esempi: Acciaio inossidabile 0.28Rame 0.33
I metalli
Modulo di Poisson
I metalli
Costanti elastiche
τ = sforzo di taglio = S (forza di taglio)
A (superficie applicazione forza di taglio)
Deformazione di taglio γ = spostamento a taglio
distanza “h” sulla quale agisce lo sforzo
Modulo elastico G = τ / γ
I metalli
Sforzo e deformazione di Taglio
• La resistenza meccanica dei materiali può essere testata tirando il metallo fino a rottura
Provino
Estensimetro
I dati di forza sono ottenuti dalla cella di caricoI dati di deformazione sono ottenuti dall’estensimetro
Cella di carico
I metalli
Prova a trazione
Provini utilizzati
Tipica curva sforzo/deformazione
I metalli
Prova a trazione
Al ad alta resistenza
Il modulo di elasticità
I metalli
Proprietà meccaniche ottenute dalla prova a trazione
Il carico di snervamento ad una deformazione dello 0.2%
Il carico di rottura
L’allungamento percentuale a rottura
La strizione percentuale a rottura
• Modulo di Elasticità (E): lo sforzo e la deformazione hanno una relazione lineare nel campo elastico (Legge di Hook)
Maggiore la resistenza di legame, maggiore il modulo di elasticità
• Esempi: Modulo di elasticità dell’acciaio: 207 GPaModulo di elasticità dell’alluminio: 76 GPa
E = σ (sforzo)
ε (deformazione)
s
Porzione lineare della curvasforzo/deformazione
Δε
Δσ E =
Δσ Δε
I metalli
Proprietà meccaniche
I metalli
Proprietà meccaniche
• Lo sforzo di snervamento è lo sforzo al quale il metallo o la legamostrano una significativadeformazione plastica
• offset sforzo di snervamento a 0.2%è quello sforzo al quale avviene unadeformazione plastica pari allo 0.2%
• La linea di costruzione, che parteallo 0.2% di deformazione, parallela al campo elastico, è disegnata per trovare l’offset dello sforzo di snervamento a 0.2% di deformazione
I metalli
Sforzo di snervamento
I metalli
Sforzo di snervamento
• Lo sforzo a rottura a trazione (sr) è il massimo sforzo raggiunto in una curva sforzo/deformazione
• La strizione inizia quando è raggiunto sr
• Più duttile è il metallo, maggiore
è la strizione prima della rottura
• Lo sforzo aumenta fino a rottura. La
diminuzione nella curva s/ è dovuta
al calcolo dello sforzo basato sull’area
iniziale.
Al 2024-Ricotto
Al 2024-Temprato
SforzoMPa
deformazione
Punto di strizione
Curve s/ di Al 2024 con duediversi trattamenti termici.il provino duttile ricottosi striziona di più
I metalli
Sforzo a rottura
I metalli
Sforzo a rottura
• L’allungamento percentuale è una misura della duttilità di un materiale
• È l’allungamento del metallo prima della rottura, espresso come percentuale della lunghezza iniziale
% allungamento =
• Misurata usando un calibro unendo le due parti fratturate
• Esempio: allungamento percentuale di Al puro 35%
per la lega di alluminio 7076-T6 11%
Lunghezza finale – Lunghezza iniziale
Lunghezza iniziale
I metalli
Allungamento percentuale
• La riduzione percentuale di area è un’altra misura della duttilità
• Il diametro della zona
fratturata si misura
con un calibro
• La riduzione percentuale di
area nei metalli diminuisce in
presenza di porosità
% riduzionearea =
Area iniziale – Area finale
Area finale
Curve s/ per diversi metalli
I metalli
Riduzione percentuale d’area
• Lo sforzo e la deformazione reali si basano sulla superficie resistente e la lunghezza istantanea
• Sforzo reale = σt =
• Deformazione reale = εt =
• Lo sforzo reale è sempre maggiore dello sforzo nominale
F
Ai (superficie istantanea)
i
i
A
ALn
l
lLn
di 0
00
I metalli
Sforzo e deformazione reale
• La durezza è una misura della resistenza di un metallo alla deformazione (plastica) permanente
• Procedura generale:
Premere il penetratore,che è più duro del
metallo, sulla superficiedel metallo
Sollevare il penetratore
Misurare la durezzamisurando la profondità
e la larghezzadell’impronta Strumento per la
durezza Rockwell
I metalli
Durezza e prova di durezza
I metalli
Prove di durezza
La prova di durezza è molto più semplice da realizzare rispetto ad una prova a trazione e può essere di tipo non distruttivo.
Per questo motivo è diffusa nel mondo dell’industria.
• La deformazione plastica di un monocristallo provoca segni di traslazione sulla superficie
bande di scorrimento
• Atomi di specifici piani cristallografici (piani di scorrimento) provocano le bande di scorrimento
Bande di scorrimento
I metalli
Deformazione plastica in monocristalli
Sono dovute a sforzi di taglio
• Le bande di scorrimento nei metalli duttili sonouniformi (avvengono su alcuni piani di scorrimento)
• Lo scorrimento avvienesu diversi piani discorrimento all’internodelle bande di scorrimento
• I piani di scorrimentohanno spessori dicirca 200Å e sonocompensati da circa 2000Å
I metalli
Bande di scorrimento e piani di scorrimento
Se calcolassimo l’energia necessaria per lo scorrimento di un blocco di atomi su un altro in un cristallo metallico perfetto, si avrebbe una
resistenza di circa 1000 – 10000 più grande di quella reale
I metalli
Bande di scorrimento e piani di scorrimento
Perché i cristalli di un metallo si deformino ai bassi valori di resistenza di taglio osservati, devono essere presente un’elevata densità di dislocazioni.
Le dislocazioni si formano durante la solidificazione di un metallo, ma molte di più quando questo viene deformato passando da un numero di 10^6 cm/cm^3 a 10^12 cm/cm^3
I metalli
Bande di scorrimento e piani di scorrimento
Ricordando le Dislocazioni
Difetti Cristallini – difetti di linea
• Formata dall’inserimento di semipiani di atomi extra
• dislocazione a spigolo positiva
• dislocazione a spigolo negativa
• Il vettore diBurgers mostra lo scorrimento di atomi
(slittamento)
Vettore di Burgers
Ricordando le Dislocazioni
Difetti Cristallini – difetti di linea
• Formata dagli sforzi di taglio applicati su regioni di un cristallo perfetto separato da un piano di taglio
• Distorsione del reticolo sottoforma di una scala a spirale
• Il vettore di Burgers è parallelo alla linea di dislocazione
Ricordando le Dislocazioni
Difetti Cristallini – difetti di linea
Ricordando le Dislocazioni
Difetti Cristallini – difetti di linea
• Durante il taglio, gli atomi non scorrono uno sull’altro• Lo scorrimento avviene per il movimento delle
dislocazioni
Struttura di una dislocazione inalluminio deformato
Parete ad alta densità di dislocazioni
I metalli
Meccanismo di scorrimento
• Lo scorrimento avviene in piani densi o strettamente impaccati
• È richiesto un basso sforzo di taglio affinché avvenga lo scorrimento su piani
densamente impaccati• Se lo scorrimento è ristretto
in piani impaccati, allora i piani meno densi diventanooperativi
• È richiesta meno energiaper muovere gli atomi lungopiani più densi
Piano moltoimpaccato
Piano pocoimpaccato
I metalli
Scorrimento nei cristalli
I metalli
La Frattura duttile
• La frattura causa la separazione di un solido stressato in due o più parti.
• Frattura duttile: alta deformazione plastica e lenta propagazione della cricca
Tre stadi:
il provino forma un collo e
cavità all’interno
le cavità formano una cricca
e la cricca si propaga fino alla
superficie, perpendicolare allo
sforzo
La direzione della cricca cambia di
45° portando alla frattura coppa-cono
I metalli
La Frattura Fragile
Tre stadi: La deformazione plastica concentra la
dislocazione sui piani di scorrimento
Si formano microcricche dovute allosforzo di taglio dove le dislocazioni sonobloccate
La cricca si propaga fino alla rottura
Esempio: Zinco EC monocristallinosotto alti sforzi sul piano {0001}va incontro a frattura fragile a causa del limitatoNumero di piani di scorrimento.
SEM di una frattura duttile
SEM di una frattura fragile
I metalli
La Frattura Fragile
Frattura duttile Frattura fragile
I metalli
La Frattura Duttile e Fragile
• Le fratture fragili sono dovute a difetti come:Pieghe;
flussi indesiderate di grano;
Porosità;
Strappi e cricche;
danni da corrosione;
infragilimento da idrogeno.
• A bassa temperatura di lavoro, avviene la transizione duttile-fragile.
• A bassa temperatura e ad alte velocità di deformazione anche metalli CCC, come ferro α, molibdeno e tungsteno si rompono in maniera fragile.
I metalli
La Frattura Fragile
• La tenacità è la misura dell’energia
assorbita prima della rottura
• La prova di impatto misura
la capacità di un metallo di
assorbire un impatto
La tenacità è misurata
utilizzando uno strumento
per prove di impatto
I metalli
Tenacità e prove di impatto
• Utilizzate anche per trovare l’intervallo di temperatura della transizione duttile-fragile
• Affondamento del Titanic. Il Titanic era costruito con acciaio con temperatura di transizione duttile-fragile a 32°C. Il giorno dell’affondamento, la temperatura del mare era -2°C che rese la struttura molto fragile e suscettibile al danneggiamento
I metalli
Tenacità e prove di impatto
Le cricche e i difetti sono concentrazioni di sforzi
aYKI s
K1 = fattore di intensità di sforzoσ = sforzo applicatoa = lunghezza apice criccaY = costante geometrica
KIc = valore critico di fattore di intensità degli sforzi(tenacità a frattura)
aYK fIC s
Esempio:Al 2024 T851 26.2MPam1/2
Acciaio 4340 60.4MPam1/2
I metalli
Tenacità di Frattura
• un intaglio viene realizzato su un provino di spessore B
• B > > a condizione di deformazione planare (no deformazioni lungo l’asse z – direzione dell’intaglio)
• B = 2.5(KIc/carico di snervamento)2
• Il provino è testato a trazione
• Maggiore è il valore di KIc,
maggiore è la duttilità
del metallo
• Usato nella progettazione
per ricavare la dimensione permessa del difetto
I metalli
Misura della tenacità a frattura
I metalli
Misura della tenacità a frattura
• Il metallo spesso si rompe a sforzi molto inferiori per carichi ciclici rispetto a carichi statici
• La cricca enuclea nella regione di concentrazione degli sforzi e si propaga per il carico ciclico applicato
• La rottura avviene quando
la sezione resistente del
metallo è troppo piccola per
sopportare il carico
applicato
Superficie fratturata a fatica di un asse inchiavettato
I metalli
Fatica dei metalli
La frattura inizia qui
Rottura finale
Si applica un carico alternato di compressione e trazione su un provino di metallo rastremato in direzione del centro
I metalli
Prove a fatica
I metalli
Prove a fatica – prova a flessione rotante
• Sono possibili differenti tipi di cicli di sforzo (assiale, torsionale e flessionale)
2
minmax sss
m
2
minmax sss
a
minmax sss r
max
min
s
sR
Sforzo medio =
Ampiezza delCiclo di sforzo
Range di sforzo =
Rapporto tra gli sforzi =
I metalli
Sforzi Ciclici
Spettro di sollecitazione
La Scienza dei Materiali