Proprietà meccaniche

Definire la tenacità di un materiale e descriverne le modalità di misura. Che importanza tecnologica ha questa proprietà?

La tenacità è legata alla capacità di un materiale di assorbire energia e deformarsi prima di giungere a rottura. Rappresenta quindi la resistenza del materiale a frattura in presenza di sollecitazioni meccaniche.

Vengono svolte delle prove di trazione e viene misurata l’area sottesa al grafico sforzo/deformazione prima che il materiale si rompa. In alternativa è possibile valutare la tenacità con le prove di Charpy o Izod che sottopongono il provino a sollecitazioni impulsive.

Questa proprietà è importante in quanto permette di valutare la capacità di un materiale di resistere a urti, vibrazioni e carichi senza rompersi.

Descrivere l’effetto della temperatura sulle proprietà meccaniche dei materiali

All’aumentare della temperatura i materiali tendono a deformarsi maggiormente a pari carico; questo significa che il modulo di Young tende a diminuire con l’aumento della temperatura, rendendo il materiale meno rigido.

Lo sforzo di snervamento e la resistenza meccanica tendono a diminuire, mentre la duttilità aumenta.

A T elevate si osserva il fenomeno del creep, cioè mantenendo il carico costante il materiale continua a deformarsi lentamente.

Al contrario, a basse temperature molti materiali diventano più fragili.

Descrivere quali sono le proprietà che permettono di descrivere il comportamento meccanico dei materiali metallici e come possano essere misurate

La prova di trazione permette di ricavare molte proprietà meccaniche dei metalli a partire dal diagramma sforzo-deformazione. Il modulo di Young rappresenta la rigidezza del materiale ed è il coefficiente angolare della parte lineare del diagramma (campo elastico); si calcola come E=sigma/epsilon. Lo sforzo di snervamento è invece lo sforzo oltre il quale si entra nel campo di deformazione plastica; è la tensione che determina una deformazione permanente dello 0.2%. Lo sforzo a rottura è invece lo sforzo che determina la rottura del materiale.

La tenacità esprime la capacità di assorbire energia prima della rottura ed è l’area sottesa dal grafico sforzo-deformazione. In alternativa può essere determinata con le prove di Charpy o Izod che sottopongono il provino a sollecitazioni impulsive.

La duttilità si misura come l’allungamento percentuale a rottura o la riduzione percentuale della sezione e rappresenta la capacità di deformarsi plasticamente.

La resistenza a fatica descrive come il materiale si comporta quando è sottoposto a sforzi ciclici e si misura effettuando vari misurazioni con carichi crescenti e misurando i cicli necessari alla rottura del provino.

Infine vi è la resistenza al creep, cioè la capacità di opporsi a deformazioni sotto carico costante che si verifica ad alte temperature.

Descrivere il differente comportamento meccanico di materiali fragili e materiali duttili. A cosa è dovuto?

I materiali fragili hanno una capacità di deformarsi molto limitata, quindi se sottoposti a un carico hanno una deformazione bassa anche con carichi elevati e improvvisamente, senza alcun segnale di cedimento, si rompono quando viene raggiunto il carico di rottura.

I materiali duttili invece se sottoposti a trazione inizialmente entrano in una fase di deformazione elastica in cui vi è un legame lineare tra sforzo e deformazione secondo la legge di Hooke: sigma = E*epsilon. Superato lo sforzo di snervamento il materiale entra nel campo plastico: il materiale che continua a deformarsi, ma rimosso il carico il pezzo non torna alle condizioni iniziali. Proseguendo, la sezione del provino si assottiglia fino a rottura.

La differenza nei loro comportamenti dipende dalla loro struttura cristallina e al movimento delle dislocazioni: nei materiali duttili le dislocazioni del reticolo cristallino sono libere di scorrere, così che il materiale si deformi plasticamente. Nei materiali fragili l’energia per far scorrere le dislocazioni è troppo elevata, quindi il materiale non si deforma ma accumula tensioni fino a rompersi.

Come si determina la temperatura di transizione duttile-fragile? Perché si verifica, e su che materiali?

La temperatura di transizione duttile-fragile si determina tramite la prova di Charpy, una prova d’urto in cui si misura l’energia assorbita dal provino durante la rottura a diverse temperature. Si osserva che a basse temperature l’energia assorbita è bassa e il materiale si rompe in modo fragile, mentre a temperature elevate l’energia assorbita è maggiore e la rottura avviene in modo duttile.

Questo avviene perché a temperature basse le dislocazioni non riescono a scorrere e il materiale non riesce a deformarsi plasticamente, quindi si rompe improvvisamente per propagazione delle cricche. A temperature più elevate invece le dislocazioni riescono a scorrere assorbendo energia, quindi il materiale di deforma plasticamente.

Questo comportamento è tipico dei materiali con struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC), come molti acciai ferritici, perché in questi materiali il moto delle dislocazioni è fortemente influenzato dalla temperatura.

Al contrario, i materiali con struttura cubica a facce centrate (CFC), come alluminio, rame e acciai austenitici, non presentano una transizione netta e mantengono comportamento duttile anche a basse temperature.

Cos’è lo sforzo di snervamento di un materiale? Cosa succede per valori di sforzo inferiori e superiori?

Lo sforzo di snervamento corrisponde a quello sforzo per cui il materiale presenta una deformazione permanente dello 0.2%. Per sforzi inferiori il materiale ha una deformazione elastica, cioè rimosso il carico il materiale torma alle dimensioni iniziali. Se lo sforzo è superiore il materiale entra nel capo plastico, quindi la deformazione è permanente.

Cos’è il modulo di Young (E)?

Il modulo di Young è una grandezza che misura la rigidezza di un materiale, cioè la sua resistenza alla deformazione elastica. Si calcola come il rapporto tra lo sforzo e la deformazione che genera in campo di deformazione elastica secondo la legge di Hooke: sigma = E * epsilon. Si misura in Pa.

Cosa si intende per limite di fatica di un materiale? Come e perché cambia il comportamento dei materiali a fatica?

Si parla di fatica quando si studia il comportamento di un materiale sottoposto a sollecitazioni cicliche o variabili nel tempo. In questo caso il materiale può subire snervamento o rottura anche per carichi inferiori ai suoi limiti teorici.

Il materiale si degrada molto più velocemente perché carichi ripetuti provocano la nucleazione e la progressiva propagazione di microcricche che continuano a espandersi fino a provocare rottura. Il comportamento dei materiali a fatica dipende da: ampiezza e frequenza del carico, presenza di difetti, geometria.

Il limite di fatica rappresenta l’ampiezza del carico applicato che permette al materiale di resistere a un numero infinito di cicli.

Descrivere le grandezze che si identificano sulla curva sforzo-deformazione e come si determinano

Sulla curva sforzo-deformazione è possibile individuare la tenacità come l’area sottesa alla curva. La tenacità esprime la capacità di un materiale di assorbire energia prima di rompersi.

Srudiando la zona di deformazione elastica è possibile determinare il modulo di Young che si calcola come il rapporto tra sforzo e deformazione. Il modulo di Young è legato alla rigidezza del materiale.

Nei materiali duttili è possibile individuare lo sforzo di snervamento come lo sforzo che rimosso impedisce al materiale di tornare alle dimensioni iniziale e causa una deformazione permanente dello 0.2%. Rappresenta lo sforzo oltre il quale inizia la deformazione plastica.

Può essere individuato il carico unitario massimo, cioè lo sforzo massimo che il materiale può raggiungere.

La duttilità si misura come l’allungamento percentuale a rottura o la riduzione percentuale della sezione e rappresenta la capacità di deformarsi plasticamente.

Infine si può individuare lo sforzo a rottura, cioè lo sforzo massimo oltre il quale il materiale si rompe.

Descrivere i principi su cui si basa il rafforzamento per incrudimento. Quali conseguenze ha sul materiale? (positive e negative)

Quando il materiale viene sottoposto a deformazione plastica a freddo il numero di dislocazioni aumenta. Quando le dislocazioni sono presenti in numero troppo elevato iniziano a ostacolarsi, intralciare il reciproco scorrimento. Questo fenomeno è chiamato incrudimento.

In questo modo il materiale diventa sempre più duro e aumenta la sua resistenza meccanica. Tuttavia diminuisce la duttilità e il materiale diventa più fragile.