Il comportamento meccanico dei materiali Dip. di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale Università Federico II di Napoli Corso di Laurea in Ingegneria Edile Corso di “Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata” (Prof. Fabio Iucolano) Il comportamento meccanico dei materiali

Introduzione Per un progettista è di fondamentale importanza la conoscenza del comportamento meccanico dei materiali che dovrà scegliere per le proprie applicazioni. Quando su un corpo agisce una forza, si possono riscontrare su di esso diverse conseguenze in funzione di: - Entità della forza - Tipologia di sollecitazione (trazione, compressione, …) - Tipologia di materiale: metallico, ceramico, polimerico, composito - Geometria del corpo: In questo corso saranno descritti comportamenti meccanici «elementari», relativi cioè a sollecitazioni semplici.

Deformazione elastica = (L-L0)/L0 Comportamento Elastico Se la forza (F1) è sufficientemente piccola, il corpo si deforma, ma la deformazione è completamente recuperata quando la forza viene rimossa (def. elastica) L0 Situazione iniziale F1 L F1 Deformazione elastica = (L-L0)/L0 L0 Situazione finale

Meccanismo atomico di deformazione elastica Variazione delle distanze di legame (stretching), senza rottura degli stessi r0 Trazione F1 F1 r > r0

Comportamento Plastico Aumentando la forza (F2), il corpo subisce una deformazione maggiore, che non viene completamente recuperata quando la forza viene rimossa (def. plastica). L0 Situazione iniziale F2 L F2 Deformazione plastica = (L-L0)/L0 Lf Situazione finale Deformazione residua = (Lf-L0)/L0

Meccanismo atomico di deformazione plastica Distorsione del reticolo, con rottura dei legami, scorrimento dei piani reticolari e formazione di nuovi legami t t

Frattura Aumentando ulteriormente la forza (F3), si giunge infine alla frattura, cioè alla divisione del corpo in due o più parti (rottura definitiva dei legami chimici) Inizio F3 F3 Fine N.B. La frattura comporta la formazione di due nuove «superfici di frattura»

Comportamento a frattura Comportamento duttile La frattura è preceduta da significative deformazioni plastiche. Il meccanismo che porta a rottura è dunque lo scorrimento plastico dei piani reticolari. Comportamento fragile La frattura avviene senza (o con trascurabili) deformazioni plastiche (in pratica avviene nel campo elastico). Il meccanismo che porta a rottura è la propagazione dei difetti.

Frattura duttile Frattura fragile

Legame ionico e covalente Materiali tipicamente duttili Materiali tipicamente fragili Materiali metallici Materiali ceramici Legame metallico Legame ionico e covalente

Comportamento meccanico in presenza di difetti Esempi per comprendere come i difetti in generale possano influenzare il comportamento meccanico dei materiali: 1. Rottura di un pezzo di stoffa propagazione del difetto. 2. Scoppio di un palloncino esistenza di condizioni critiche. Storicamente lo studio sui difetti reticolari venne avviato proprio perché ci si accorse di alcune «stranezze» relativamente al comportamento meccanico dei materiali Esperienza di Griffith: verificò che il carico di rottura teorico (calcolato cioè a partire dalle energie di legame) di alcuni materiali era maggiore di quello misurato sperimentalmente.

Ruolo delle dislocazioni sulla duttilità dei metalli A livello atomico la deformazione plastica di un metallo avviene attraverso la rottura contemporanea di una serie di legami, con scorrimento dei piani reticolari e formazione di nuovi legami. Se invece all’interno del reticolo vi è la presenza di dislocazioni, allora lo slittamento richiede la rottura di un minor numero di legami, ed avviene per «scorrimento della dislocazione» !

Meccanismo di scorrimento delle dislocazioni Spostare in altro file

Ruolo delle dislocazioni sulla duttilità dei metalli La duttilità dei metalli è dovuta allo scorrimento delle dislocazioni all’interno del reticolo

Ruolo delle dislocazioni sulla duttilità dei metalli Quando si blocca lo scorrimento della dislocazione? Quando lungo il suo cammino incontra un altro difetto (dislocazione o bordo di grano) Cosa succede quando si arresta lo scorrimento della dislocazione? Il materiale perde di plasticità!

Blocco al movimento delle dislocazioni Spostare in altro file

Blocco al movimento delle dislocazioni: bordi di grano Più bordi di grano ci sono, meno la dislocazione ha la possibilità di scorrere: Grana cristallina fine Minore duttilità Maggiore resistenza Spostare in altro file Grana cristallina grossolana Maggiore duttilità Minore resistenza

Fenomeno dell’incrudimento La deformazione plastica è favorita dal movimento delle dislocazioni N.B. La deformazione plastica produce però nuove dislocazioni (moltiplicazione delle dislocazioni) L'aumento del numero di dislocazioni ostacola l'ulteriore movimento delle dislocazioni stesse È necessario uno sforzo maggiore per deformare ulteriormente il materiale, che risulta così meno duttile e più resistente Spostare in altro file Incrudimento