Materiali: proprietà meccaniche dei metalli e strutture cristalline

Materiali Metallici

Deformazione Plastica ed Elastica

Quando un materiale metallico è soggetto all'azione di una forza di trazione, subisce una deformazione. Se il metallo ritorna alle sue dimensioni originali dopo che è stata rimossa la forza, si dice che ha subito una deformazione elastica. L'entità di deformazione elastica che un metallo può tollerare è piccola, poiché durante la deformazione elastico gli atomi del metallo vengono allontanati dalla loro posizione originale ma non tanto da poter occupare nuove posizioni reticolari; pertanto, quando viene rimossa la forza che agisce su un metallo deformandolo elasticamente, gli atomi del metallo ritornano alla loro posizione originale e il metallo assume di nuovo la sua forma iniziale. Se un metallo viene deformato tanto da non poter recuperare completamente le sue dimensioni originali, si dice che ha subito una deformazione plastica. Durante la deformazione plastica gli atomi del metallo vengono spostati permanentemente dalla loro posizione originale per assumere nuove posizioni reticolari.

Sforzo Nominale e Deformazione Nominale

Consideriamo una barra cilindrica di lunghezza lo e sezione Ao sottoposta a una forza di trazione agente lungo il suo asse. Si definisce sforzo nominale o agente sulla barra cilindrica il rapporto tra la forza media F che agisce lungo l'asse della barra e la sua sezione iniziale Ao. Dunque: F (forza media lungo l'asse) Sforzo nominale o Ao (sezione iniziale) L'unità di misura dello sforzo nominale è il Pascal pari a N/m2. Una forza di trazione applicata lungo l'asse di una barra, provoca un allungamento della barra nella direzione della forza. Tale allungamento è chiamato deformazione. Per definizione la deformazione nominale causata dall'azione di una forza di trazione lungo l'asse di un provino metallico è il rapporto tra la variazione di lunghezza del provino nella direzione della forza e la lunghezza del provino considerato. Deformazione nominale € = 1-10 - AL Al(variazione di lunghezza del provino) lo(lunghezza originale del provino) La deformazione è adimensionale.

Modulo di Poisson

una deformazione elastica longitudinale in un metallo è accompagnata da una variazione delle dimensioni laterali. In presenza di un comportamento isotropo ex e ey sono uguali. Il rapporto è chiamato modulo di Poisson. V: € Ex €y Z: dimensione della lunghezza € EZ Per materiali ideali dovrebbe essere uguale a 0,5, invece per i materiali reali il modulo di Poisson è tipicamente compreso trra 0,25 e 0,4, con un valore medio intorno a 0,3.

Sforzo di Taglio e Deformazione di Taglio

Un altro importante metodo attraverso il quale un metallo può essere deformato è l'azione di uno sforzo di taglio. Lo sforzo di taglio è legato alla forza di tagli S dalla relazione: trasversale s(forza di taglio) t(sforzo di taglio) = A(area su cui agisce la forza di taglio) Le unità di misura per lo sforzo di taglio sono le stesse dello sforzo di trazione: 1 Pa = 1N/m2. La deformazione di taglio è definita dal rapporto tra lo spostamento a e il lato h su cui agisce la forza di taglio, cioè: Superficie di area A Y = = = tan 0 Per taglio puramente elastico, il rapporto tra sforzo e deformazione è: T = G . Y S S S = forza di taglio Dove G è il modulo elastico.

Prova di Trazione e Diagramma Sforzo-Deformazione

La prova di trazione consente di valutare la resistenza meccanica dei metalli e delle leghe. La forza sul provino che è sottoposto alla prova, viene misurata da una cella di carico, mentre la deformazione si ottiene da un estensimetro CAMPO K ROTTURA C SFORZO attaccato al provino. La tipologia dei provini utilizzati per le prove di trazione varia CAMPO B considerevolmente. Per elementi metallici di elevata sezione come le lamiere, viene in genere PLASTICO utilizzato un provino cilindrico dal diametro di ELASTICO 0.5 pollici. I carichi della prova di trazione letti sulla carta del registratore possono essere convertiti in valori di sforzo nominale, così da poter costruire un diagramma che lega lo sforzo nominale alla deformazione nominale. A DEFORMAZIONE Le proprietà meccaniche dei metalli e delle leghe che si possono ricavare dalla prova di trazione sono:

• il modulo di elasticità
• il carico di snervamento
• il carico di rottura

Modulo di Elasticità

Nella prima parte della prova di trazione il metallo viene deformato elasticamente, questo significa che, se la forza applicata viene tolta, il provino tornerà alla sua lunghezza iniziale. I metalli e le leghe mostrano una relazione lineare tra sforzo e deformazione nella regione a comportamento elastico del diagramma sforzo-deformazione (legge di Hooke): o(sforzo) E : E(deformazione) Più l'alto il modulo di Young bassa è l'elasticità E è il modulo di elasticità, o modulo di Young. Viene misurato in Pa.

Carico di Snervamento

Il carico di snervamento rappresenta la sollecitazione al di sopra della quale nel metallo o nella lega si manifestano significative deformazioni plastiche, il metallo quindi, una volta cessata la forza, non ritorna allo stato iniziale perché avrà subito una deformazione.

Carico di Rottura

Il carico di rottura è il massimo valore di resistenza raggiunto dal provino. Superato tale carico si manifesta sul provino un restringimento localizzato della sezione, conseguentemente lo sforzo nominale diminuirà all'aumentare della deformazione fino al sopraggiungere della rottura.

Allungamento Percentuale

L'entità di allungamento che un provino subisce durante la prova di trazione fornisce un valore della duttilità del metallo. In generale più è elevata la duttilità più è elevato il valore dell'allungamento percentuale.

Strizione Percentuale

La duttilità del materiale metallico può anche essere espressa in termini di riduzione percentuale della sezione (strizione). La strizione percentuale è una misura della duttilità del metallo e anche un indice di qualità; la strizione percentuale può infatti diminuire se nel materiale metallico sono presenti difetti come inclusioni e/o porosità.

Durezza e Prova di Durezza

La durezza è una misura della resistenza di un metallo alla deformazione plastica (permanente). La durezza di un materiale viene misurata comprimendo un penetratore sulla sua superficie; il penetratore, che è una sfera, una piramide o un cono, è costituito da materiale molto più duro del materiale che viene provato. La maggior parte delle prove di durezza prevede la lenta applicazione di 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. Viene quindi calcolato un valore di durezza, basato sull'area dell'impronta o sulla sua profondità.

Deformazione Plastica dei Metalli Monocristallini

Consideriamo la deformazione plastica di una barra cilindrica costituita da un mono-cristallo di zinco, ottenuta sollecitando la barra oltre il suo limite elastico. Un esame del cristallo di zinco dopo la deformazione, mostra che sulla sua superficie sono apparse delle deformazioni a gradino, chiamate bande di scorrimento. Le bande di scorrimento sono causate dallo scorrimento, o deformazione dovuta a sforzi di taglio, degli atomi del metallo lungo specifici piani chiamati piani di scorrimento.

Deformazione Plastica dei Metalli Policristallini

Quasi tutte le leghe di interesse tecnologico sono policristalline. I metalli e le leghe monocristallini sono usati principalmente per scopi di ricerca e solo in pochi casi per applicazioni tecnologiche. I bordi di grano rinforzano i metalli e le leghe agendo come barriere al movimento delle dislocazioni, eccetto che alle alte temperature dove diventano zone di debolezza, a seguito della possibilità di scorrimento tra grani. Per la maggior parte delle applicazioni in cui la resistenza è importante, è desiderabile una dimensione fine del grano e pertanto la maggior parte dei metalli sono prodotti in modo da raggiungere questa condizione strutturale. I metalli a grani fini, a temperatura ambiente, sono più forti, più duri e più suscettibili ad incrudimento. Però sono meno resistenti alla corrosione ed al creep. Deformazione plastica monocristalli 10.000 200 A lagrandie in ir

- FIGURA 5.3 Fortazione di bande di scorrimento duare a deforma duarte a setornaront planica. (4) Un mensorisalto sottoposto ad uną loan diewojone. At) Le bande di scorrimento appelone quando le sforzo appilcas super il carico di seenenents: le varie pasi dul oralallo scoer sute atre (d) Zora eviderzuca in (D) ingrancha: lo scorrimento avviene su un grande numero di piani di scorrimento compar questa regione, chiamata banda di scorrimento, a più bassi ingrandimenti appare came una lines [da Mf. Bbensaust, înpod Mechanical Papetas al Mutariats", Macmilan, 1971, p.219]La figura confronta le curve di trazione sforzo -deformazione del rame non legato monocristallino e policristallino a temperatura ambiente; a tutte le 50 300 Sforzo a trazione (1000 psi) 40 Policristallo 30 200 20 Monocristallo 100 Sforzo a trazione (MPa) 10 0 0 10 20 30 40 Deformazione (%) Curva o-& del rame monocristallino e policristallino Bande di scorrimento nei grani di alluminio policristallino corrispondenza ai bordi di grano (come mostrato in figura). sollecitazioni il rame policristallino è più resistente del rame monocristallino. Durante la deformazione plastica dei metalli, le dislocazioni che si muovono lungo un piano di scorrimento particolare non possono passare da un grano all'altro seguendo la stessa direzione. Le linee di scorrimento cambiano direzione in

Rafforzamento dei Metalli per Soluzione Solida

Un metodo con cui può essere aumentata la resistenza dei metalli è il rafforzamento per soluzione solida. L'aggiunta di uno o più elementi a un metallo può aumentarne la resistenza meccanica. Quando atomi sostituzionali (soluto) vengono miscelati allo stato solido con quelli di un altro metallo (solvente), si creano campi di sollecitazione, legati a deformazioni reticolari, attorno a ogni atomo di soluto. Questi campi di sollecitazione interagiscono con le dislocazioni rendendo più difficile il loro movimento e di conseguenza la soluzione solida diventa più resistente del metallo puro. Ci sono due fattori importanti nel rafforzamento per soluzione solida:

• fattore di grandezza relativa. La differenza nella grandezza atomica degli atomi del soluto e del solvente incide sulla qualità del rafforzamento da soluzione solida a causa delle deformazioni prodotte nel reticolo cristallino. Le deformazioni del reticolo creano maggior difficoltà al movimento delle dislocazioni e quindi rafforzano il metallo.
• ordine a corto raggio. Raramente le soluzioni solide sono miscele casuali, spesso infatti hanno luogo dei fenomeni di raggruppamento di atomi simili determinando quello che viene detto ordine a corto raggio; a seguito di questi fenomeni il movimento delle dislocazioni risulta ostacolato per via dell'esistenza di substrutture con differenti legami, determinando il rafforzamento del materiale.

Frattura dei Metalli

Uno degli aspetti importanti e pratici della selezione dei materiali nella progettazione, sviluppo e produzione di nuovi componenti è la possibilità di fallimento del componente in esercizio. Il fallimento può essere definito come l'incapacità di un materiale o di un componente di eseguire una determinata funzione, incontrare i criteri di prestazione sebbene possa essere ancora funzionante oppure lavorare in sicurezza e affidabilità anche dopo deterioramento. Lo snervamento, l'usura, la deformazione di compressione (instabilità elastica), la corrosione e la frattura sono esempi di situazioni in cui un componente può fallire. La frattura è la separazione in due o più parti di un solido sollecitato. In generale la rottura dei metalli può essere classificata in duttile o fragile. La frattura duttile di un metallo avviene dopo una estesa deformazione plastica ed è caratterizzata da basse velocità di propagazione della rottura. La frattura fragile, invece, avanza di solito lungo piani cristallografici caratteristici chiamati piani di clivaggio e si propaga rapidamente.