Meccanismi di irrigidimento, incrudimento, tenacizzazione Come le proprietà dei materiali sono influenzati dalla struttura

Introduzione Le proprietà di molti materiali possono essere modificate attraverso variazioni della loro microstruttura La modifica delle proprietà rende il materiale meglio rispondente a determinate specifiche di progetto Per le leghe metalliche, data la rilevanza dei fenomeni di scorrimento e deformazione plastica, la modifica delle proprietà meccaniche ha lo scopo di aumentare la resistenza a snervamento Per i polimeri, in alcuni casi lo scopo può essere sia di aumentare la resistenza che la rigidezza Per i ceramici ed i vetri, in genere lo scopo è di aumentare la tenacità

Incrudimento dei metalli Nei materiali metallici la deformazione plastica è legata al moto delle dislocazioni Per aumentare la resistenza a snervamento, è necessario impedire il moto delle dislocazioni Eliminare le dislocazioni: estremamente antieconomico e di impossibile applicazione industriale Interagire con il moto delle dislocazioni riducendone la mobilità

Moto delle dislocazioni Linea di dislocazione b 

Moto delle dislocazioni I due piani si spostano di una quantità b. Lavoro fatto dalla sforzo  f resistenza allo scorrimento per unità di larghezza (lungo L1) La dislocazione si sposta di una lunghezza L2. Energia necessaria per muovere la dislocazione:  L2 L2

Moto delle dislocazioni Il vettore di Burgers è minimo per le dislocazioni tra i piani compatti

Sforzo critico di taglio Lo sforzo critico di taglio è molto alto nei ceramici (legame covalente)no scorrimento Lo sforzo critico è molto più basso nei materiali metallici (legame metallico) Aumento della resistenza richiede aumento di f f maggiore nei metalli CCC (struttura meno compatta)

Meccanismi di rafforzamento Per migliorare le proprietà di resistenza dei materiali metallici si possono utilizzare uno, o più, dei seguenti meccanismi: INCRUDIMENTO: viene aumentato il numero delle dislocazioni. AFFINAMENTO DEL GRANO : viene aumentato il numero di difetti superficiali ALLIGAZIONE: aumentando il numero di difetti puntuali In tutti e 3 casi aumentando il numero di difetti del metallo si riduce la mobilità delle dislocazioni (aumenta f)

Aumento della resistenza Introducendo dei difetti nel cristallo, se L è la distanza tra tali difetti, il numero di ostacoli che toccano la linea di dislocazione di lunghezza unitaria è: Ciascun difetto provoca una forza di bloccaggio p (pinning) La resistenza totale per unità di lunghezza della dislocazione allora è: E l’aumento dello sforzo critico di taglio L

Rafforzamento per soluzione solida Si ottiene per alligazione. Si può formare una soluzione solida omogenea se gli atomi del soluto entrano in specifiche posizioni del reticolo cristallino del solvente (acciai)

Rafforzamento per soluzione solida

Rafforzamento per dispersione Si ottiene per alligazione. Si può formare una dispersione se gli atomi del secondo componente formano dei domini cristallini a se stanti nella struttura del primo componente

Rafforzamento per dispersione Si ottiene per alligazione. Si può formare una dispersione se gli atomi del secondo componente formano dei domini cristallini a se stanti nella struttura del primo componente forza agente sulla dislocazione La forza è bilanciata dalla tensione lineare: bL T 

Rafforzamento per dispersione Il valore massimo dello sforzo necessario per far muovere la dislocazione vale: Superato il valore, la dislocazione continua a crescere anche per valori dello sforzo più bassi Quindi l’effetto di incrudimento dipende da L bL T

Incrudimento Prodotto dalla lavorazione a freddo, che aumenta il numero delle dislocazioni In un acciaio ricotto la densità di dislocazioni vale circa 1010 m/m3 Dopo incrudimento, la densità di dislocazioni sale fino a circa 1017 m/m3 d numero di dislocazioni per area unitaria

Relazione tra resistenza e densità di dislocazioni 1: valore teorico del metallo (G/2) 3: punto minimo della resistenza si ottiene per una densità di dislocazioni pari a 106-108 m/m3 4: zona di incrudimento Aumento proprietà meccaniche: 1-2: realizzare un metallo con un numero di difetti molto basso 4. aumentare il numero di difetti Densità delle dislocazioni y 1 2 3 4

Incrudimento Un metallo sottoposto ad una deformazione plastica durante il ciclo 1). La resistenza a snervamento è 1 Nel ciclo 2), condotto sul materiale già allungato nel ciclo 1), la resistenza a snervamento è 2>1 Nel ciclo 3) la resistenza a snervamento è 3>2 Aumentando la deformazione plastica, aumenta la resistenza snervamento del metallo

Incrudimento σ ε εres,1 σy,1 σ ε εres,2 σy,2 σ ε εres,3 σy,3 Ciclo 1 campione non incrudito Ciclo 2 campione incrudito nel ciclo 1 Ciclo 3 campione incrudito nel ciclo 2 σy,1<σy,2<σy,3<……σy,i<σy,i+1<

Incrudimento e deformazione plastica b L’incrudimento viene indotto attraverso una deformazione plastica. La deformazione plastica genera dislocazioni L’aumento della densità di dislocazioni viene spiegato attraverso il concetto delle sorgente di Frank-Read D D’ b D D’ b D D’ b m n D D’ b

Tecnologie di deformazione  

Effetto della deformazione plastica Carico di rottura Durezza Brinell Allungamento % Resilienza K Kgm/cm2 100 80 60 40 20 200 180 160 140 120 50 30 10 HB R A K Lavoro a freddo %

Tecnologie di deformazione forgiatura laminazione estrusione trafilatura

Tecnologie di deformazione stiropiegatura imbutitura piegatura

Affinamento del grano Una dislocazione che si muove lungo una direzione in un cristallo 1 La dislocazione se entra in un altro grano cristallino non si potrà muovere nella stessa direzione E’ necessaria un’energia maggiore (forza maggiore) per attivare i nuovi sistemi di scorrimento Grani più piccoli, contribuiscono a migliorare la resistenza del materiali Legge di Hall-Petch: Bordo di grano Piano di scorrimento Grano B Grano A

Legge di Hall-Petch 1/D1/2 (mm-1/2) Resistenza a snervamento (Kg/mm2) 50 40 30 20 10 1/D1/2 (mm-1/2) 5 4 3 2 1 6 7 molibdeno ferro

Controllo della dimensione dei grani da solidificazione Abbassando la T di solidificazione (o aumentando la velocità di raffreddamento) si ottengono cristalli più fini T1 T2> T1 T2

Ricottura Un metallo incrudito si trova in una condizione di elevata energia interna L’energia è immagazzinata sotto forma di difetti di linea e di punto Inoltre, i grani sono allungati nella direzione di stiro Il riscaldamento del metallo al di sotto della temperatura di fusione può favorire il rilascio delle tensioni interne ed il riassetto delle dislocazioni a configurazioni di minore energia A temperatura maggiore, può avvenire la ricristallizzazione, con la formazione di nuovi grani non deformati In genere, diminuiscono gli sforzi residui, la resistenza e la durezza, ma si migliora la duttilità

Evoluzione delle strutture Lavorato a freddo ricuperato ingrossamento del grano ricristallizzazione

Evoluzione delle proprietà % lavoro a freddo Allungamento % Resistenza a trazione (MPa) 800 600 400 200 80 60 40 20 Dimensione del grano (m) 100 75 50 25 Temperatura di ricottura (°C) ricupero ricristallizzazione Accrescimento grano

Proprietà meccaniche di metalli La resistenza teorica di un metallo, considerato ideale, ovvero privo di difetti interni, è di più di 1000 volte superiore alla resistenza reale I metalli, oppure le leghe, presentano tutta una serie di difetti del reticolo cristallino che diminuiscono fortemente la resistenza meccanica. Difetti puntuali Difetti lineari Difetti superficiali Difetti tridimensionali Materiale E (GPa) y (MPa) R (MPa) Acciaio di uso generale 210 200-350 300-700 Acciai bonificati 360-1000 620-1300 Accia legati per molle 1100-1200 1400-1500 Acciai inossidabili austenitici 220-350 550-650 Leghe di Al in getto 73-75 90-270 160-320 Leghe di Al da stampaggio 68-73 170-500 200-600

Tenacizzazione dei ceramici Per i materiali ceramici, il miglioramento delle proprietà meccaniche ha lo scopo di aumentare la tenacità del materiale I legami covalenti presentano elevati valori di sforzo critico di taglio, per cui lo scorrimento si innesta a valori del carico molto alti Del resto, la natura direzionale dei legami covalenti genera una forte fragilità

Rottura dei materiali fragili Nei materiali duttili, il materiale nella zona adiacente alla cricca si deforma in maniera plastica, assorbendo l’energia I materiali duttili sono poco sensibili alla presenza di cricche Nei materiali fragili la deformazione plastica attorno alla cricca è impedita dai legami covalenti Il materiale si rompe I materiali fragili resistono molto meglio a compressione che a trazione Zona deformata plasticamente

Rottura fragile La presenza di una cricca genera una concentrazione degli sforzi Lo sforzo all’apice della cricca è molto più alto di quello nominale, e può raggiungere la resistenza ideale del materiale I legami in corrispondenza della cricca si rompono Legami già rotti Legami che stanno per rompersi Legami integri r c 

Rottura fragile Per molti materiali ceramici (fibre) la resistenza dipende dalla lunghezza o dal diametro Aumentando la lunghezza o il diametro aumenta il numero di difetti 5 4 3 2 1 20 40 60 80 100 120 Diametro delle fibre (m) Resistenza a trazione (GPa)

Tenacizzazione   Propagazione delle cricche bloccata Formazione della cricca Resistenza a trazione, m Propagazione delle cricche bloccata

Zirconia Ossido di Zirconio ZrO2 Ad elevate temperature, la forma stabile è la tetragonale A basse T, la forma stabile è la monoclina Al raffreddamento, la trasformazione è accompagnata da un aumento di volume del 3% La trasformazione è martensitica, non si può impedire neanche con un brusco raffreddamento La trasformazione viene impedita se si aggiunge fino al 10% di Y2O3

ZTA Allumina (Al2O3) tenacizzata con zirconia Quando si raffredda la lega, la trasfomazione tm crea degli stress nella matrice di allumina, intorno alle particelle di zirconia Questi stress possono provocare microfessure Le microfessure interferiscono col moto delle cricche, deviandole e biforcandole Questo provoca una tenacizzazione

PSZ Zirconia parzialmente stabilizzata Si aggiunge il 3% di Y2O3 La trasformazione tm al raffreddamento è soppressa. La zirconia resta in fase tetragonale metastabile La trasformazione non avviene sia perché l’espansione è impedita dalla presenza della matrice (zirconia stessa o allumina) sia per la presenza di Y2O3 Le particelle sono sottoposte ad uno sforzo di compressione Se viene meno lo stato di compressione (presenza di una cricca) la trasformazione t m avviene La conseguente espansione volumetrica si oppone alla propagazione della cricca

PSZ Meccanismo di azione di PSZ Zirconia metastabile tetragonale Zirconia monoclina trasformata martensiticamente Sforzo di compressione attorno al vertice della cricca

Compositi ceramici Al materiale ceramico si possono aggiungere delle fibre di rinforzo Le fibre sono in genere di ceramico Le fibre tenacizzano la matrice: A) tenendo uniti i lembi della cricca B) mantenendo una certa frazione dello sforzo (riducendo l’intensificazione degli sforzi) C) Assorbono una parte dell’energia di frattura attraverso fiber debonding  FC

Confronto tra metodi di tenacizzazione meccanismo Tenacità (MPa*m1/2) Esempi di applicazione Rinforzato con fibre continue 30 SiC-vetro Dispersioni metalliche 25 Al2O3-Al; Al2O3-Ni Trasformazioni 20 ZrO2

Meccanismi di irrigidimento dei polimeri Per molti materiali polimerici, il problema maggiore è legato al basso valore della rigidezza Il basso valore di rigidezza deriva dalle deboli interazioni secondarie intermolecolari Aumento della rigidezza può essere effettuato attraverso diverse strategie. In ogni caso, si cerca di ridurre lo scorrimento delle molecole Di queste, molte riguardano la modifica della chimica del polimero Dal punto di vista ingegneristico, le alternative più interessanti sono: Aumento del grado di cristallinità Aggiunta di filler Orientazione delle macromolecole

Effetto della temperatura Un altro problema nel caso dei polimeri è legato alla scarsa resistenza alla temperatura. Un polimero termoplastico amorfo possiede un comportamento caratterizzato da una forte riduzione del modulo in corrispondenza di una temperatura caratteristica, di transizione vetrosa (Tg) In corrispondenza della Tg il polimero passa dallo stato “vetroso” allo stato “gommoso” La transizione è legata all’attivazione dei meccanismi di rotazione dei legami covalenti Sotto Tg la rotazione dei legami è impedita (no rotazione, no scorrimento, materiale fragile) Sopra la Tg la rotazione dei legami è possibile (rotazione, scorrimento, materiale duttile)

Effetto della temperatura polimero Tm(°C) Tg(°C) Polietilene (bassa densità) 115 -90 Polietilene (alta densità) 137 -70 Polipropilene 175 -16 Polistirene 240 100 6,6 Nylon 265 50 Poliestere 255 75 Policarbonato 145 Teflon 327 T>Tg A<A0 strizione L>L0 allungamento

Proprietà meccaniche di polimeri Le proprietà meccaniche dei polimeri variano enormemente in base alla struttura, al tipo di legame, alla temperatura Materiali polimerici possono presentare comportamento fragile o duttile In linea di massima si può dire che polimeri al di sotto della Tg si comportano in maniera fragile, mentre al di sopra della Tg si comportano da materiali tipicamente duttili La presenza di una fase cristallina generalmente migliora le resistenza ed il modulo, diminuendo la duttilità Sforzo (MPa) Deformazione (mm/mm) T<Tg, elevato modulo e resistenza, bassa duttilità, bassa tenacità T>Tg, Elevata duttilità, bassi modulo e resistenza, alta tenacità

Influenza della T sulle curve PMMA Sforzo (MPa) 80 60 40 20 Deformazione (mm/mm) 0.3 0.2 0.1 4 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C

Modulo vs T La curva del modulo vs temperatura è caratterizzata da almeno 4 zone importanti: 1) plateau vetroso: materiale fragile ed elevato modulo 2) zona di transizione vetrosa (Tg): il modulo diminuisce di 3-5 ordini di grandezza 3) plateau gommoso: materiale duttile 4) zona di flusso: materiale fluido Log(E (Pa)) T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 La temperatura di transizione vetrosa è la temperatura che determina il passaggio da un comportamento rigido e fragile ad un comportamento molto più duttile (vedi cap 3)

Aumento del grado di cristallinità Aumentando il grado di cristallinità aumentano rigidezza e resistenza Diminuisce la duttilità Aumento del grado di cristallinitàriduzione velocità di raffreddamento Log(E (Pa)) T 4 5 6 7 8 9 Aumenta xc Tm Tg xc=0 xc=1 Aumenta grado di cristallinità

Modifica delle proprietà di polimeri ad alte T Reticolazione (elastomeri e termoindurenti) Aumentando il peso molecolare del polimero, si sposta la zona di flusso a T più elevate Per pesi molecolari infiniti (termoindurenti) la zona di flusso scompare Aumentando la densità di reticolazione dell’elastomero o del termoindurente, il modulo sopra Tg resta più alto Aumento del peso molecolare Peso molecolare infinito Aumento della densità di reticolazione Log E T

Aggiunta filler L’aggiunta di particelle inorganiche (talco, carbonato di calcio, mica, vetro) aumenta la rigidezza Diminuiscono resistenza e duttilità Aumenta anche la viscosità

Orientazione L’orientazione delle macromolecole contribuisce a migliorare la proprietà di resistenza e rigidezza del polimero Sulla base della curva sforzo deformazione per polimeri duttili Nel tratto iniziale Dopo la strizione Anche se la pendenza è simile   Resistenza a trazione r Allungamento a rottura r

Orientazione L’aumento dello sforzo dopo la zona di strizione è dovuto al fatto che tutte le molecole sono state orientate nella direzione della forza Un’ulteriore deformazione del provino avviene solo se si deformano i legami covalenti Invece nel tratto iniziale la deformazione avviene per rotazione dei legami covalenti e deformazione dei legami secondari A0 L0 A<A0 strizione L>L0 allungamento

Orientazione Portando il materiale a strizione durante la fase di trasformazione si ha orientazione Se il materiale è sottoposto ad una sollecitazione, mostra un modulo molto maggiore rispetto a quello del materiale non orientato Nelle direzioni ortogonali la rigidezza diminuisce   Allungamento a rottura r Non orientato perpendicolare parallelo Polimero semicristallino duttile

Orientazione EL= modulo in direzione dell’orientazione ET= modulo in direzione trasversale rispetto all’orientazione E45= modulo del polimero non orientato è maggiore l’incremento di E nella direzione della orientazione della riduzione nella direzione perpendicolare