Capitolo 11.3 tipi di materialiI materiali di interesse tecnologico sono divisi in tre classi principali: materiali metallici, materiali ceramici e materiali polimerici.

1.3.1 materiali metalliciI materiali metallici sono sostanze organiche composte da uno o più elementi metallici e possono contenere anche alcuni elementi non metallici (carbonio, azoto, ossigeno). I metalli hanno una struttura cristallina nella quale gli atomi sono disposti in modo ordinato

I metalli sono buoni conduttori termici ed elettrici.

Hanno buona resistenza meccanica e duttilità a temperatura ambiente e molti mantengono buona resistenza meccanica ad alta temperatura.

I metalli e le leghe vengono suddivisi in 2 classi:

1) Metalli e leghe ferrose (contengono una grande percentuale di ferro come gli acciai e le ghise).

2) Metalli e leghe non ferrose (non contengono ferro oppure ne contengono solo una piccola quantità es alluminio, rame, zinco, titanio e nichel).

1.3.2 materiali polimericiI materiali polimerici sono costituiti da lunghe catene molecolari o reti che sono generalmente costituite a partire da composti organici (contenenti carbonio). Strutturalmente, la maggior parte non sono cristallini.

La resistenza meccanica e la duttilità dei materiali polimerici è molto variabile.

Sono buoni isolanti.

Si stanno sviluppando leghe di materiali polimerici per adattarsi a specifiche applicazioni per le quali nessun materiale polimerico è adeguato.

1.3.3 materiali ceramiciI materiali ceramici sono materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente tra loro.

Possono essere cristallini, non cristallini, o parzialmente cristallini e parzialmente non cristallini.

Vantaggi: hanno alta durezza ed elevata resistenza meccanica ad alte temperature, basso peso specifico, buona resistenza termica e all’usura, ridotto coefficiente di attrito e sono buoni isolanti termici (per questo vengono usati come rivestimento di forni per produzione di acciaio)

Svantaggi:

Tendono ad essere fragili (piccola o nessuna deformazione prima della rottura)

1.3.4 materiali compositiUn materiale composito può essere definito come due o più materiali integrati fra loro per formare un nuovo materiale.

I costituenti mantengono invariate le proprie proprietà e il composito avrà proprietà diverse dalle singole proprietà dei componenti

I materiali compositi sono formati da un riempitivo di rinforzo e di una matrice polimerica con esso compatibile, legati tra loro in modo da ottenere caratteristiche particolari e proprietà utili per l’applicazione richiesta.

I compositi non si sciolgono l’uno nell’altro quindi i componenti possono essere individuati fisicamente.

I compositi più diffusi sono quelli di tipo fibroso (fibre annegate in una matrice) o di tipo particolato (particelle annegate in una matrice).

Per la produzione di materiali compositi possono essere utilizzate molte combinazioni di rinforzi e matrici es. (per la matrice si può utilizzare un metallo come l’alluminio, un ceramico come l’allumina oppure un materiale polimerico come la resina epossidica) a seconda del tipo di matrice utilizzata, il materiale composito può essere catalogato come:

1) Composito a matrice metallica (MMC)2) Composito a matrice ceramica (CMC)3) Composito a matrice polimerica (PMC)

I materiali compositi hanno un’elevata resistenza meccanica e un peso specifico ridotto, per questo si tende a utilizzarli per gli impieghi dove la riduzione del peso è importante.

Il difetto principale come per i materiali ceramici è l’alta fragilità e la bassa tenacità a frattura.

Due importanti materiali compositi molto utilizzati sono:

1) Fibre di vetro in una matrice di resina poliestere o epossidica.2) Fibre di carbonio in una matrice di resina epossidica.

Capitolo 3 (struttura cristallina e amorfa dei materiali)

La struttura fisica dei materiali solidi di interesse tecnologico dipende principalmente dalla disposizione degli atomi, ioni o molecole che compongono il solido e dalle forze che li legano fra loro.

Gli atomi dei vari materiali seguono 2 diverse leggi di disposizione a seconda della natura del materiale:

Solidi cristallini: Atomi o ioni di un solido sono presenti secondo una disposizione ripetitiva nelle tre dimensioni dello spazio, essi formano un solido che ha un’ordine a lungo raggio (LRO) (metalli, leghe e alcuni materiali ceramici)

Materiali amorfi (senza forma): atomi e ioni costitutivi non disposti in maniera ripetitiva, periodica e a lungo raggio, possiedono solo un’ordine a corto raggio es:(acqua liquida, possiede un’ordine a corto raggio all’interno delle molecole ma le molecole a loro volta sono legate da legami piu deboli in modo casuale.

3.2 3.3 PAG 50

3.10 Allotropia

Molti elementi e composti a differenti condizioni di temperatura e pressione esistono in più di una forma cristallina; questo fenomeno è chiamato allotropia. Esempi materiali che subiscono trasformazioni allotropiche sono mostrati in tabella 3.5 pag. 71.

Un esempio importante è il ferro: fino alla temperatura di 912 °C si presenta come ferro α con struttura CCC, da 912 °C a 1394 °C come ferro γ e da 1394 °C a 1539 °C (temperatura alla quale liquefa) come ferro δ con struttura CCC come per il ferro α, il ferro δ a differenza del ferro α ha una costante reticolare maggiore.

Capitolo 4 Solidificazione e imperfezioni cristalline

4.1 Solidificazione dei metalli:

La solidificazione dei metalli e delle leghe è un importante processo industriale, poiché la maggior parte dei metalli vengono prodotti partendo dal metallo fuso e facendolo solidificare come semilavorati o direttamente come prodotti finiti.

In generale il processo di solidificazione di un metallo o di una lega può essere diviso nei seguenti stadi:

Formazione di nuclei stabili di solidificazione (nucleazione) Crescita dei nuclei a formare cristalli, e formazione di una struttura a

grani.

4.1.1 Formazione di nuclei stabili nei metalli liquidi

I due meccanismi principali mediante i quali avviene la nucleazione di particelle solide nel metallo liquido sono: la nucleazione omogenea e la nucleazione eterogenea.

-Nucleazione Omogenea:

La nucleazione omogenea avviene in un metallo fuso quando il metallo stesso fa sì che gli atomi formino nuclei. Quando un metallo puro liquido è raffreddato in modo adeguato al di sotto della sua temperatura di solidificazione di equilibrio, si creano numerosi nuclei omogenei a seguito del fatto che alcuni atomi soggetti a lento movimento si legano tra loro. La nucleazione omogenea di solito richiede un notevole sottoraffreddamento rispetto alla temperatura di solidificazione di equilibrio, che può essere per alcuni metalli anche di 100 °C sotto alla temperatura di equilibrio. Perché un nucleo sia stabile cosi che possa crescere a formare un cristallo, esso deve raggiungere una dimensione critica

Un gruppo di atomi legati di dimensione inferiore alla dimensione critica è detto embrione, un gruppo di atomi legati di dimensione maggiore alla critica è detto Nucleo. A seguito della loro instabilità gli embrioni sono continuamente formati e risciolti nel metallo fuso.

-Nucleazione eterogenea

La nucleazione eterogenea avviene sulle pareti che contengono il liquido, su impurezze insolubili, o altri materiali strutturali che abbassano l’energia libera critica richiesta per formare un nucleo stabile. Dal momento che durante i processi di solidificazione industriale non si raggiungono elevati gradi di sottoraffreddamento (in genere tra 0.1 e 10 °C), si deduce che in questi casi la nucleazione è eterogenea. La nucleazione eterogenea quindi, richiede un grado molto minore di sottoraffreddamento per formare un nucleo stabile.

4.1.2 Crescita di cristalli e formazione di una struttura a grani

Il metallo solidificato contenente molti cristalli è detto policristallinico

Le superfici tra i grani: bordi di grano

Dopo che sono stati formati nuclei stabili in un metallo che solidifica, questi nuclei si accrescono formando cristalli. In ogni cristallo che solidifica gli atomi sono disposti in modo essenzialmente regolare, ma varia l’orientazione di ogni cristallo. Quando la solidificazione del metallo è completata, i cristalli (o grani) si uniscono tra loro pur se con diverse orientazioni, formando legami fra i grani limitati a un certo numero di atomi.

Il numero di siti di nucleazione che si creano in un metallo che solidifica influisce sulla struttura dei grani del metallo solido:

-Pochi siti di nucleazione: struttura grossolana (a grani grossi)

-Molti siti di nucleazione: struttura a grani fini (quasi tutti i metalli e leghe di interesse tecnologico vengono fatti solidificare in modo da ottenere grani fini, perché la struttura a grani fini ha migliori proprietà di resistenza meccanica e di uniformità nei prodotti finiti.

Quando un metallo relativamente puro è fatto solidificare in una lingottiera non agitata e senza l’utilizzo di affinatori di grano, si ottengono di solito due principali tipi di struttura dei grani:

-Grani equiassici: si formano quando la nucleazione e l’accrescimento avviene in modo tale che i grani possano crescere in modo uguale in tutte le direzioni (di solito a contatto con le pareti raffreddate della lingottiera per il maggiore sottoraffreddamento e quindi per la maggiore presenza di nuclei che si ha in queste zone.

-Grani colonnari: si formano quando il metallo si raffredda relativamente piano in presenza di un forte gradiente di temperatura, sono grani allungati e irregolari, si sviluppano non a contatto e perpendicolarmente ai bordi della lingottiera per il forte gradiente di temperatura che si ha in quella direzione.

4.1.3 Struttura dei grani nei getti industriali

Nella produzione industriale, i metalli e le leghe sono ottenuti realizzando la solidificazione in varie forme:

Se il metallo deve essere deformato dopo la solidificazione, si producono grossi getti di forma semplice, che poi vengono trasformati negli opportuni semilavorati. In molte altre applicazioni invece il metallo viene fatto solidificare direttamente nella sua forma finale, come avviene ad esempio per i pistoni delle automobili.

Per quanto riguarda l’industria dell’acciaio, circa il 60% dell’acciaio viene ottenuto mediante la colata in lingottiera, mentre circa il 40% per colata continua (vedi figure pag 90).

Per ottenere getti con dimensione fine dei grani, vengono spesso aggiunti al metallo liquido, prima di colarlo degli affinatori di grano, in modo da avere durante la solidificazione dei nuclei eterogenei finemente dispersi. (nelle leghe di alluminio si aggiungono piccole quantità di titanio, boro, o zirconio)

Un lingotto solidificato in assenza di affinatori di grano ha struttura a grandi grani colonnari, mentre in presenza di affinatori si creano grani fini equiassici.

4.3 Soluzioni solide metalliche

La maggior parte dei metalli di interesse tecnologico sono combinati con altri metalli o non metalli per ottenere: maggiore resistenza meccanica, più alta resistenza alla corrosione o altre proprietà desiderate.

Una lega è una miscela di due o più metalli o di metalli o non metalli. Le leghe possono essere semplici, come l’ottone giallo formato da 70%Cu e 30%Zn, o essere estremamente complesse, formate anche da 10 elementi.

Il tipo più semplice di lega è la soluzione solida; la soluzione solida è un solido che consiste di due o più elementi atomicamente dispersi in una struttura monofase. In generale esistono 2 tipi di soluzioni solide:

1. Sostituzionali2. Interstiziali.

4.3.1 Soluzioni solide sostituzionali

Nelle soluzioni solide interstiziali formate da due elementi, gli atomi di soluto possono sostituire nel reticolo cristallino atomi del solvente. La struttura cristallina del solvente non varia, ma il reticolo può essere distorto dalla presenza di atomi di soluto, in particolare se c’è una significativa differenza di diametri atomici tra gli atomi del solvente e quelli del soluto (il reticolo atomico può sostenere solo una quantità limitata di contrazione o espansione, oltre il 15% di differenza tra raggio atomico soluto/solvente solubilità diminuisce). La frazione di atomi di un elemento che può disciogliersi in un altro può variare da una frazione di una percentuale atomica al 100% a seconda della situazione.

Le situazioni che favoriscono un’ampia solubilità allo stato solido di un elemento in un altro allo stato solido (regole di Hume-Rotery) sono le seguenti:

1. I diametri atomici degli atomi degli elementi non devono differire di più del 15%;

2. Le strutture cristalline degli elementi devono essere le stesse;3. Non dovrebbero esserci differenze apprezzabili nelle elettronegatività dei due

elementi in modo che non si formino composti.4. I due elementi dovrebbero avere la stessa valenza.

4.3.2 Soluzioni solide interstiziali

Nelle soluzioni solide interstiziali gli atomi di soluto si collocano negli spazi tra gli atomi di solvente. Le soluzioni solide interstiziali possono formarsi quando un atomo è più grande di un altro; esempi di atomi che possono formare soluzioni solide interstiziali per le loro piccole dimensioni sono idrogeno, carbonio, azoto e ossigeno.

Un esempio importante di soluzione solida interstiziale è quella formata dal carbonio nel ferro γ di tipo CFC, che è stabile tra 912 e 1394 °C; il raggio atomico del ferro γ è 0.129 nm e quello del carbonio è 0.075 nm, con una differenza di raggio atomico del 42%, per questa differenza nel ferro γ si può dissolvere interstizialmente fino al 2.08% di carbonio a 1148°C.

Non si può sciogliere più del 2.08% di carbonio nel ferro γ perché il raggio vuoto più grande nella sua struttura cristallina è di 0.053nm mentre il raggio atomico del carbonio è 0.075nm

Il raggio del maggiore vuoto interstiziale del ferro α CCC è 0.036 nm nel quale si può sciogliere massimo lo 0.025% di carbonio.

4.4 Difetti cristallini

Nella realtà i cristalli non sono mai perfetti; contengono vari tipi di imperfezioni e di difetti che influenzano alcune loro proprietà fisiche e meccaniche, che a loro volta influenzano alcune proprietà tecnologiche come la deformabilità a freddo delle leghe, la conduttività elettronica dei semiconduttori, la velocità di diffusione degli atomi nelle leghe e la corrosione dei metalli.

I difetti del reticolo cristallino sono classificati secondo la loro geometria in:

1. Difetti a zero-dimensione o difetti di punto2. Difetti a una-dimensione o difetti di linea3. Difetti a due-dimensioni o difetti di superficie

4.4.1 Difetti di punto

Vacanza: quando un atomo del reticolo cristallino è mancante; possono essere prodotte:

Durante la solidificazione come risultato di disturbi locali durante la crescita dei cristalli, o da un riordinamento degli atomi in un cristallo già formato a causa della mobilità atomica.

Nei metalli possono essere introdotte vacanze addizionali tramite deformazioni plastiche, raffreddamento rapido per intrappolare vacanze e dal bombardamento con particelle energetiche.

Nei metalli la concentrazione di equilibrio delle vacanze raramente supera quella di 1 ogni 10000 atomi

Le vacanze di non equilibrio tendono a formare addensamenti, formati da due o tre vacanze.

Le vacanze possono muoversi scambiandosi di posizione con atomi a loro vicini favorendo, in particolare ad elevate temperature, la diffusione degli atomi nello stato solido.

Autointerstiziale: quando un atomo in un cristallo occupa una posizione interstiziale tra atomi che lo circondano, questi difetti di solito non si generano naturalmente, a causa dell’elevata distorsione con essi connessa, ma possono essere introdotti in una struttura a seguito di una radiazione.

Difetti nei cristalli ionici:

Per la necessità di mantenere la neutralità elettrica quando 2 ioni di carica opposta si allontanano da un cristallo ionico, si crea una bivacanza catione-anione chiamata

difetto di Schottky. Se un catione positivo si muove in un sito interstiziale in un cristallo ionico, si crea anche la vacanza di un catione nel normale sito dello ione, questo doppio difetto viene chiamato difetto di Frenkel. La presenza di questi difetti nei cristalli ionici favorisce la loro conduttività elettrica.

Vedere libro pag. 98 4.4.2 difetti di linea 4.4.3 difetti planari 4.4.4 difetti di volume.

5.2.1 Diffusione nei solidi in generaleLa diffusione è il meccanismo con cui la materia è trasportata attraverso la materia. Gli atomi nei gas, nei liquidi e nei solidi sono in costante movimento e possono migrare, pur se con tempi diversi.

Il movimento degli atomi nei gas è relativamente rapito, si può notare dalla rapida diffusione degli odori.

Il movimento degli atomi nei liquidi è più lento rispetto a quello nei gas, come evidenziato dal movimento di tinture colorate nell’acqua limpida

Il movimento degli atomi nei solidi è ancora più lento, a causa dei legami che tendono a mantenerli nelle posizioni di equilibrio.

La diffusione di atomi nei metalli e nelle leghe è di particolare importanza poiché la maggior parte delle reazioni allo stato solido coinvolgono movimenti atomici ad esempio: precipitazione di una seconda fase dalla soluzione solida, nucleazione e crescita di nuovi grani nella ricristallizzazione di un metallo deformato a freddo

5.3 APPLICAZIONI INDUSTRIALI NEI PROCESSI DI DIFFUSIONEMolti processi di diffusione industriale utilizzano la diffusione allo stato solido:

5.3.1 Cementazione gassosa

Molti componenti in acciaio che operano in condizioni di rotazione o scorrimento, come ingranaggi o alberi di motori, devono avere uno strato superficiale indurito resistente all’usura e allo stesso tempo un cuore interno tenace resistente alle sollecitazioni statiche e dinamiche cui sono soggetti.

Nella realizzazione di un componente in acciaio cementato, il pezzo viene prima lavorato alle macchine utensili quando non è ancora indurito superficialmente, e quindi, dopo la lavorazione, lo strato esterno viene indurito attraverso processi di indurimento superficiale come la cementazioni, che può essere: solida, liquida o gassosa.

Gli acciai da cementazione sono acciai a basso tenore di carbonio, in cui C va dallo 0.10 allo 0.25%

Nel caso della cementazione gassosa, le parti di acciaio sono poste in un forno a contatto con un’atmosfera contenente metano o altri idrocarburi gassosi a 927°C. il carbonio dall’atmosfera diffonde attraverso la superficie degli ingranaggi, dopo successivi adeguati trattamenti termici, gli ingranaggi acquisiranno elevata durezza superficiale, dovuta all’alto tenore di carbonio.

Il tenore di carbonio in relazione alla distanza dalla superficie dipende dal tempo dalla durata della cementazione.

Capitolo 6 (sforzi e deformazioni nei metalli)

6.2 Deformazione elastica e plastica

Quando un elemento metallico è sottoposto ad una forza di trazione, subisce una deformazione, questa deformazione può essere di 2 tipi:

Elastica: quando dopo aver tolto la forza il metallo torna alle sue dimensioni originali, il metallo tollera solo piccole deformazioni elastiche poiché gli atomi del metallo vengono allontanati dalla loro posizione originale ma non tanto da poter occupare nuove posizioni reticolari; pertanto una volta tolta la forza gli atomi tornano nella loro posizione originale.

Plastica: Quando il metallo viene deformato tanto da non poter recuperare completamente le sue dimensioni originali. Durante la deformazione plastica gli atomi del metallo vengono spostati permanentemente dalla loro posizione originale per assumere nuove posizioni reticolari.

L’attitudine di alcuni metalli a essere deformati plasticamente senza rompersi è una importante proprietà tecnologica dei metalli. Ad esempio la grande deformabilità plastica dell’acciaio consente lo stampaggio di componenti delle automobili (cofani portiere) senza che il metallo si rompa.

6.2.2 Sforzo nominale e deformazione nominale

Sforzo nominale:

Consideriamo una barra cilindrica di lunghezza l0 e sezione A0 sottoposta a una forza di trazione lungo il suo asse:

Sforzo nominale σ = F ( forzamedia lungol' asse)A 0(sezione iniziale)

L’unità di misura di σ è il Pascal: 1Pa = 1 N/m2 siccome gli sforzi agenti sui materiali metallici sono elevati si usa il MegaPascal: 1MPa = 106 Pa = 1 N/mm2

Deformazione nominale:

La deformazione nominale è il rapporto tra la variazione di lunghezza della barra di prova causata dalla forza di trazione e la sua lunghezza iniziale:

Deformazione nominale ε = l-l0/ l0 = Δl (variazione di lunghezza del provino)/l0

(lunghezza iniziale)

Nella maggior parte dei casi la deformazione nominale è determinata da una piccola porzione della lunghezza del provino, che può essere circa 5 cm, oppure pari a 5 volte il diametro.

La deformazione è adimensionale e spesso si converte in deformazione percentuale o allungamento percentuale.

6.2.3 Modulo di Poisson

Una deformazione elastica longitudinale in un metallo è accompagnata da una variazione delle misure laterali.

Uno sforzo di trazione longitudinale σ(z) genera una deformazione assiale ε(z) e delle contrazioni laterali –ε(x) e –ε(y) Se il materiale è isotropo le contrazioni lungo x e lungo y sono uguali.

Il modulo di Poisson per materiali ideali dovrebbe essere =0.5, invece per i materiali reali è compreso tra 0.25 e 0.4.

6.2.4 Sforzo di taglio e deformazione di taglio

Un metallo può essere deformato tramite l’azione di uno sforzo di taglio. L’azione di una semplice coppia di forze (le forze di taglio agiscono in coppia) su un corpo cubico è mostrata in figura.

6.3 Prova di trazione e diagramma sforzo-deformazione

La prova di trazione consente di valutare la resistenza meccanica dei metalli e delle leghe.

La prova consiste nel tirare un campione di metallo fino a rottura in un tempo relativamente breve e a velocità costante di deformazione.

La forza che agisce sul provino viene misurata tramite una cella di carico, la deformazione invece tramite un estensimetro attaccato al provino. I dati registrati sono registrati da un software di controllo tramite computer.

Di solito si usano i seguenti Provini:

6.3.1 Proprietà meccaniche ottenute dalla prova di trazione

Le proprietà meccaniche dei metalli e delle leghe, importanti per la progettazione strutturale che si possono ricavare tramite la prova di trazione sono:

1. Il modulo di elasticità;2. Il carico di snervamento a una deformazione dello 0.2%;3. Il carico di rottura;4. L’allungamento percentuale a rottura;5. La strizione percentuale a rottura.

Modulo di elasticità:

Nella prima parte della prova di trazione il provino viene deformato elasticamente (per i metalli la massima deformazione elastica è di solito minore dello 0.5%). In generale i metalli e le leghe mostrano una relazione lineare tra lo sforzo e la deformazione nella zona a comportamento elastico del diagramma sforzo-deformazione, del tipo:

σ (sforzo) = Eε (deformazione)

oppure

LEGGE DI HOOKE : E= σ (sforzo) / ε (deformazione) si misura in Pa o piu spesso in GPa

Nella regione elastica il modulo di Young non cambia aumentando la sollecitazione.

Carico di snervamento:

Il carico di snervamento è una grandezza molto importante per la progettazione strutturale, poiché rappresenta la sollecitazione al di sopra della quale nel metallo o nella lega si manifestano significative deformazioni plastiche.

Dato che in genere nel diagramma sforzo-deformazione non si ha un ben definito punto in cui finisce la deformazione elastica e inizia quella plastica, il carico di snervamento si definisce come la sollecitazione in corrispondenza alla quale si ha una prefissata deformazione plastica permanente residua (presente sul provino dopo averlo scaricato), in genere pari allo 0.2%.

Carico di rottura

Il carico di rottura è il massimo valore di resistenza raggiunto nel diagramma sforzo-deformazione. Superato tale carico si manifesta sul provino un restringimento localizzato della sezione (strizione), di conseguenza lo sforzo nominale diminuirà all’aumentare della deformazione fino al sopraggiungere della rottura, in quanto esso viene calcolato in riferimento alla sezione iniziale del provino e non a quella effettiva. Il carico di rottura di un metallo viene determinato tracciando una linea orizzontale dal valore massimo sulla curva sforzo-deformazione fino all’asse degli sforzi.

Allungamento percentuale

L’allungamento che un provino subisce durante la prova di trazione fornisce un valore della duttilità del metallo. In generale più è elevata la duttilità e più è elevato il valore di allungamento percentuale. Durante la prova si utilizza un estensimetro per monitorare la deformazione del provino. Tuttavia l’allungamento percentuale del provino dopo la rottura può essere misurato ricongiungendo le due metà del provino e misurando la lunghezza finale con un calibro. Il valore dell’allungamento percentuale si calcola così:

L’allungamento percentuale a rottura oltre a darci informazioni sulla duttilità del materiale è anche un valido indice della qualità del metallo, infatti, se nel metallo sono presenti porosità o inclusioni o se il metallo è danneggiato da surriscaldamento, l’allungamento percentuale del provino diminuisce rispetto all’originale.

Strizione percentuale

La duttilità del materiale metallico può essere espressa sia come allungamento percentuale sia in termini di riduzione percentuale della sezione (strizione)

Conoscendo il diametro iniziale del provino e quello di rottura la strizione percentuale si calcola con la seguente equazione:

Anche la strizione percentuale come l’allungamento è indice di qualità oltre che di duttilità

6.3.2 diagramma pagina 155

6.3.3 Sforzo reale e deformazione reale

Lo sforzo nominale viene calcolato rispetto alla sezione iniziale del provino, poiché durante la prova di trazione la sezione cambia, lo sforzo nominale calcolato non è quello reale.

In particolare dopo che si è verificata la strizione lo sforzo nominale diminuisce all’aumentare della deformazione, determinando un massimo nel valore dello sforzo nominale.

In realtà, una volta che è iniziata la strizione, lo sforzo reale nella prova di trazione è più alto di quello nominale e è dato dalla seguente equazione:

I progetti strutturali non sono basati sullo sforzo di rottura poiché non appena viene superato il carico di snervamento il materiale inizia a deformarsi. I progettisti usano invece il carico di snervamento allo 0.2%, corretto con opportuni coefficienti di sicurezza.

6.4 durezza e prove di durezza

La durezza è una misura della resistenza di un metallo alla deformazione plastica permanente. Viene misurata comprimendo un penetratore sulla superficie del metallo in esame. Il penetratore può essere:

- Una sfera- Una piramide- Un cono

È costituito da un materiale molto più duro di quello in esame: acciaio temprato, carburo di tungsteno o il diamante.

La prova si esegue applicando lentamente una forza nota, che comprime il penetratore in direzione perpendicolare alla superficie del metallo in prova. Dopo aver realizzato l’impronta il penetratore viene tolto dalla superficie, quindi si calcola o si legge direttamente sulla macchina il valore empirico di durezza, che si basa sull’area dell’impronta o sulla sua profondità. (i tipi di prova sono indicati nella tabella sottostante)

6.5 Deformazione plastica dei metalli monocristallini

6.5.1 Bande di scorrimento e linee di scorrimentoConsideriamo la deformazione plastica di una barra cilindrica costituita da un monocristallo di zinco, ottenuta sollecitando la barra oltre il suo limite elastico. Dopo la deformazione, esaminando la superficie del metallo si notano delle deformazioni a gradino (chiamate bande di scorrimento; dovute a sforzi di taglio); le bande di scorrimento sono causate dalla deformazione dovuta a sforzi di taglio e si generano lungo specifici piani cristallografici detti piani di scorrimento.

6.5.2 Deformazione plastica nei cristalli dei metalli per meccanismi di scorrimento

Se i metalli rispettassero il modello atomico a lato avrebbero una resistenza circa da 1000 a 10000 volte più grande rispetto alla resistenza allo scorrimento realmente osservata, i metalli infatti, hanno un’elevata densità di difetti, chiamati dislocazioni. Le dislocazioni si formano in gran numero già durante la solidificazione del metallo, e se ne formano molte di più quando il cristallo viene deformato.

10000 diametri atomici

50/500 diametri atomici

La figura libro pag. 161 mostra come una dislocazione a spigolo possa indurre ad uno scorrimento unitario in presenza di bassi sforzi di taglio (perché in ogni istante solo un piccolo numero di atomi scorre sugli altri).

6.5.3 VEDERE LIBRO PAG. 160

fare 6.6-6.7 e definizioni 6.8