La distribuzione spaziale dei difetti

Nei materiali ceramici i difetti possono essere distribuiti sia sulla superficie (surface located) che internamente al volume (volume located) del componente. Per esempio, le inclusioni si trovano distribuite, per la maggior parte dei casi, nel volume mentre le cricche generate da lavorazioni meccaniche sul componente sono distribuite sulla sua superficie. Altri difetti possono invece essere di bordo (edge located). In figura 5.15 vengono schematizzate le varie distribuzioni possibili dei difetti.

Figura 5.15: Rappresentazione della tipologia di distribuzione possibile di un difetto

La distinzione dei difetti e della zona in cui si trovano è fondamentale per capire come originano le cricche, se vengono create durante il processo di produzione, durante la movimentazione del componente oppure quando esso è in esercizio.

Tale distinzione è fondamentale per condurre un’analisi statistica sulle rotture di provini, in particolare se si vuole ricavare la costante caratteristica che descrive l’effetto scala delle tensioni di rottura in funzione del volume del corpo. Questa costante infatti presenta valori differenti se i difetti sono superficiali o di volume. L’effetto scala delle sollecitazioni in funzione del volume si applica in quanto si suppone che più grande è il volume di un componente, più alta è la probabilità che in esso sia presente un difetto critico e quindi sarà necessario applicare una sollecitazione inferiore per portare a rottura il pezzo.

In generale, per gli studi frattografici, un difetto che si considera interno al volume, può fisicamente essere nel volume, sulla superficie, vicino alla superficie o sul bordo del componente. I difetti di superficie invece possono essere fisicamente solo sulla superficie o sul bordo.

Le cricche che generano la frattura e che si trovano in prossimità della superficie sono più soggette all’accrescimento lento rispetto a quelle presenti all’interno del corpo.

Si passa ora alla descrizione più nel dettaglio delle varie forme di difetti che si possono incontrare analizzando la superficie di frattura di un materiale ceramico.

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5.3.2.1 Difetti di volume

Sono numerose le tipologie di difetti di volume che si possono incontrare analizzando le superfici di frattura dei materiali ceramici. Di seguito si elencano quelli più ricorrenti e più immediati da identificare:

 Pori: I pori sono uno dei difetti più semplici da individuare e identificare, se ne hanno due esempi in figura 5.16. Nei ceramici sono spesso equiassici, ma possono facilmente assumere moltissime altre forme. I pori si identificano come difetti interni al volume dove la loro cavità può agire come dimensione critica e portare a rottura un pezzo.

Figura 5.16: Dettaglio di un poro come origine di una frattura in due diversi materiali ceramici policristallini

 Regioni porose: Le regioni porose sono difetti distribuiti nel volume, si presentano come zone tridimensionali formate da porosità o microporosità come rappresentato in figura 5.17:

Figura 5.17: Dettaglio di una regione porosa in un ceramico policristallino

 Agglomerati: Gli agglomerati sono difetti interni al volume e si riconoscono perché assomigliano ad un grappolo di grani come si può facilmente vedere in figura 5.18. Sono difetti comuni nei ceramici sinterizzati con polveri preparate tramite “Spray Drying”. Gli agglomerati spesso sinterizzano creando un guscio vuoto attorno ad essi.

Figura 5.18: Dettaglio di agglomerati come origine della frattura in campioni in Carburo di Silicio

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 Inclusioni: Le inclusioni sono sempre difetti interni al volume, sono corpi estranei con una composizione differente da quella del materiale che si sta studiando. Sono difetti semplici da individuare grazie al loro differente colore e riflesso rispetto alla matrice, come evidenziato in figura 5.19:

Figura 5.19: Dettaglio di una inclusione come difetto che ha portato alla rottura del pezzo  Disomogeneità nella composizione: Sono irregolarità strutturali dovute alla distribuzione non

uniforme dei costituenti primari del componente. Possono avere un colore o un riflesso differente rispetto alla matrice come mostrato in figura 5.20:

Figura 5.20: Dettaglio di una disomogeneità locale nella composizione del materiale  Grani larghi: I grani larghi si possono formare a seguito di un locale accrescimento

sproporzionato del grano rispetto alla normale microstruttura del corpo, come si può notare in figura 5.21. Si possono formare a causa di una variazione nella composizione o nella densità durante la sinterizzazione. Si possono spesso notare al microscopio grazie ad un differente riflesso rispetto alla matrice che li circonda.

Figura 5.21: Dettaglio di alcuni grani di elevate dimensioni che hanno agito come origine per la propagazione della cricca

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 Bordi grano: I bordi grano possono essere zone critiche poiché, se la dimensione del grano è sufficientemente grande, il bordo grano può diventare una cricca di dimensioni critiche e quindi controllare il limite di resistenza del componente. Queste cricche sono difficili da identificare come origini, a meno che la frattura non sia intergranulare. In questo caso la superficie della frattura avrà un aspetto caratterizzato da un’alta rugosità.

5.3.2.2 Difetti di superficie

Sono numerose le tipologie di difetti di superficie che si possono incontrare analizzando le superfici di frattura dei materiali ceramici. Di seguito si elencano quelli più ricorrenti e più immediati da identificare:

 Vuoti superficiali: I vuoti superficiali sono cavità sulla superficie del componente che si creano per reazioni chimiche con l’ambiente durante il processo di produzione o a causa di danni dovuti al processo di produzione stesso. Sono simili a pori, però si trovano solamente in superficie. Un esempio viene fornito in figura 5.22:

Figura 5.22: Dettaglio di un vuoto superficiale generato durante il processo di produzione del componente

 Crateri: I crateri sono cavità superficiali che probabilmente si generano da reazioni chimiche con l’ambiente in cui si lavora. La corrosione e l’ossidazione sono fenomeni caratteristici per la creazione di questi difetti. Un esempio di tale difetto è presente in figura 5.23:

Figura 5.23: Dettaglio di una cavità superficiale che ha agito come sito di innesco della cricca