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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 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

= +


Autodiffusione


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 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


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


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


Diffusività


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


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


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


Applicazioni industriali

Parti in acciaioa basso tenore di carbonio

Atomi di carboniodiffusi

C %

Gradienti di carbonio nei metalli carburati


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


• 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


• 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.


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


I metalli


• 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


I metalli


• 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


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


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



• 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



• 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

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