Cause di rottura

Essendo molto fragili, i materiali ceramici possono arrivare a rottura per innumerevoli cause. La rottura è controllata dai difetti, è quindi necessario analizzare la superficie di frattura di un componente per capire effettivamente perché esso si è rotto, quale difetto ha innescato la cricca. Solamente un’analisi congiunta delle condizioni dell’ambiente di esercizio del componente e dei difetti presenti in esso può condurre lo studioso a comprendere la vera causa della rottura.

Si descrivono ora brevemente i fenomeni più frequenti che portano a cedimento i materiali ceramici.

5.4.1.1 Accrescimento lento delle cricche

I materiali sottoposti a temperature elevate sono soggetti ad un aumento della mobilità degli atomi ed una riduzione della fase viscosa di bordo grano. Ciò comporta un accrescimento intergranulare della cricca. Tale accrescimento può portare ad un indebolimento del pezzo o addirittura alla sua rottura, causata quindi solamente dal sottoporre il componente ad alte temperature per molto tempo. Le fratture generate per accrescimento lento presentano solitamente una rugosità maggiore rispetto alle classiche superfici di frattura. Sono facilmente identificabili al microscopio ottico o al SEM poiché presentano una differenza nella riflessione, se la prova è stata eseguita in aria. Infatti alle alte temperature se non si è in ambiente inerte avvengono delle reazioni chimiche superficiali tra il materiale di cui è composto il pezzo e l’ambiente circostante. Un esempio di superficie sottoposta ad accrescimento lento è raffigurato nella figura 5.26:

Figura 5.26: Zona di lento accrescimento della cricca, si noti l’area cerchiata che si presenta con un colore più chiaro

5.4.1.2 Il creep

Il fenomeno del creep può causare la rottura di un componente anche per bassi valori della tensione se questo è sottoposto ad elevate temperature. La superficie di frattura che viene a crearsi assomiglia a quella che si genera per accrescimento lento della cricca, ma più estesa.

La morfologia della superficie di frattura è caratterizzata da una trama di micro-cricche estesa e ingrovigliata, come rappresentato in figura 5.27. Spesso la rottura di un componente per creep avviene se la zona interessata da questo fenomeno è confinante con uno spigolo del corpo.

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Figura 5.27: Morfologia di una superficie di frattura di un provino in Carburo di Silicio che è stato soggetto al fenomeno di creep

Il creep e l’accrescimento lento della cricca sono due fenomeni che nascono in diverse condizioni e non sono accumunabili tra loro. Infatti, l’accrescimento lento di una cricca interessa le cricche preesistenti che dunque crescono fino a raggiungere la dimensione critica che porta alla rottura del pezzo.

Di contro, il fenomeno del creep non interessa eventuali cricche preesistenti ma ne “crea” di nuove unendo tra loro pori e micro-cricche che, una volta fuse insieme, crescono, divengono critiche e portano alla rottura del pezzo.

In ogni caso alle alte temperature la resistenza alla frattura aumenta poiché ci si avvicina alle caratteristiche plastiche del materiale. Dunque, la dimensione critica delle cricche sarà maggiore nel caso di test a temperature elevate piuttosto che a temperatura ambiente.

5.4.1.3 La fatica meccanica

I materiali ceramici a grana piccola e i vetri in generale non vengono interessati dal classico fenomeno della fatica meccanica, intesa come aumento graduale delle dimensioni della cricca causato dal ripetersi di cicli di carico e scarico del pezzo.

Nei ceramici e nei vetri, i tratti caratteristici della fatica meccanica assomigliano molto a delle linee di arresto della propagazione della cricca, ogni linea di arresto rappresenta un ciclo di carico e scarico. Tali linee caratteristiche sono identificabili per le lievi variazioni che subisce il piano di frattura durante i vari cicli e sono rappresentate in figura 5.28:

Figura 5.28: Morfologia di una superficie di frattura di un vetro che è stata soggetta al fenomeno della fatica meccanica. Si notino le linee di arresto che si formano in successione

La crescita delle cricche per fatica può verificarsi nei ceramici policristallini con grana grossolana e proprietà anisotrope. La maggiore resistenza alla frattura di questi ceramici viene dunque compensata da una maggiore sensibilità alla fatica meccanica.

Purtroppo la microstruttura caratteristica dei ceramici policristallini porta ad avere superfici di frattura talmente rugose da rendere impossibile la distinzione dei tratti caratteristici della progressiva estensione della cricca per fatica.

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5.4.1.4 Shock termico

I materiali ceramici sono conosciuti per le loro elevate resistenze alle elevate temperature e agli shock termici, tuttavia sono anch’essi fenomeni che possono portare alla rottura di componenti. Le tensioni generate per fonti termiche si sviluppano per la formazione di deformazioni differenti in diverse parti del componente, alcune zone soggette a differenti temperature cercano di dilatarsi o contrarsi ma restano vincolate alle altre parti del corpo che le circondano.

Ad esempio, nel caso di dischi riscaldati al centro, l’espansione maggiore della regione centrale del corpo rispetto alla periferia fa insorgere delle sollecitazioni di trazione uniassiale sul bordo tali da portare a rottura il pezzo. La cricca inizialmente propaga perpendicolarmente al bordo, poi rallenta e presenta un andamento ondulato nel campo di compressione presente al centro del disco.

Le tensioni interne sono di entità insufficiente per causare la ramificazione della cricca. La morfologia della superficie di frattura è caratteristica e rappresentata da segni chiari e nitidi vicino all’origine per poi scomparire completamente allontanandosi da essa mentre la cricca rallenta propagandosi verso l’interno. In figura 5.29 viene rappresentata la superficie di frattura di un disco giunto a rottura per shock termico.

Figura 5.29: Superficie di frattura di una piastra di un forno in Carburo di Silicio. La freccia bianca indica l’origine della frattura

5.4.1.5 Il chipping

Il fenomeno del Chipping è forse il più semplice da osservare, nei vetri soprattutto. Lo si può notare in molti oggetti che si tengono in casa, come i bicchieri, i vasi, le bottiglie, persino nel parabrezza dell’auto dopo che è stato colpito da un sasso. Il Chipping è una sorta di scheggiatura superficiale e i frammenti che vengono a crearsi hanno sostanzialmente sempre la stessa forma.

Tale fenomeno si genera per la presenza di carichi concentrati in prossimità di un bordo che può portare alla scheggiatura del componente, come rappresentato in figura 5.30. Maggiore è la distanza di applicazione del carico dal bordo, maggiore sarà la forza necessaria per generare un frammento.

Figura 5.30: Fenomeno del Chipping, per applicazione locale di un carico elevato si genera un frammento superficiale a forma di conchiglia

La forma della scheggia non dipende dal tipo di materiale, assume sempre la geometria di una conchiglia. La forma dei frammenti può variare solamente in funzione dell’angolo di applicazione del

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carico, in figura 5.31 viene fornito qualche esempio. Questo fatto è molto utile in quanto la forma della scheggia può dare informazioni sulla direzione della forza che l’ha causata.

Figura 5.31: Rappresentazione della geometria dei frammenti (chips) al variare della direzione del carico

Questi frammenti che si generano dai bordi sono molto frequenti come fratture secondarie nei materiali ceramici e nei vetri. Essendo fratture secondarie possono anche non avere nulla a che fare con la causa primaria della rottura del componente. In figura 5.32 viene presentato un esempio di chipping su una superficie di un vetro, danno che ha solamente scalfito ma la superficie senza generare alcuna frattura nel corpo.

Figura 5.32: Esempio di Chipping in un vetro