Metalli: nei metalli la rottura è sempre generata dal movimento delle dislocazioni.I materiali metallici possono rompersi sia in maniera duttile che in maniera fragile.
1- frattura duttile: in questo caso la rottura avviene dopo una profonda
deformazione plastica. In figura è riportato l’ andamento della rottura di un provino sottoposto ad un carico maggiore del carico di rottura del materiale.
Si possono distinguere 3 stadi: a) Inizio della strizione e formazione di microvuoti all’ interno della zona
strizionata (a - b)
b) Formazione della cricca al centro del provino a causa della "unione" dei microvuoti (c)
c) propagazione della cricca sino alla superficie del provino.Ora è a 45° rispetto all’ asse di trazione e si verifica la rottura ( d - e)
2- frattura fragile: molti metalli si rompono in maniera fragile (con bassa deformazione plastica). E’ il caso dei metalli a struttura EC ( esagonale compatta) che se sottoposti ad uno sforzo lungo la direzione normale ai piani (0001) si rompono in modo fragile a causa del limitato numero dei piani di scorrimento. Anche molti metalli con struttura CCC ( cubica a corpo centrato) come ad esempio il ferro- α, il molibdeno e il tungsteno si rompono fragilmente se sollecitati velocemente e a bassa temperatura. La rottura fragile è dovuta essenzialmente alla propagazione di cricche trangranulari, che coinvolgono cioè contemporaneamente più grani, ma anche alla propagazione di cricche intergranulari se i bordi di grano sono soggetti a fenomeni di corrosione o se la regione del bordo di grano è infragilita dalla segregazione di elementi dannosi.
Anche in questo caso possiamo distinguere tre fasi: a) La deformazione plastica
concentra le dislocazioni nella zona di massimo sforzo, ma spesso si bloccano e si concentrano in corrispondenza di ostacoli esistenti nel materiale
(ad esempio in corrispondenza dei bordi di grano)
b) Le dislocazioni bloccate fanno nascere degli sforzi di taglio che determinano la formazione di microcricche
c) Le microcricche si propagano per ulteriori sollecitazioni, quali ad esempio l’ energia elastica immagazzinata durante il processo che si libera con l’ avanzamento delle microcricche.
Foto relativa alle bande di rottura in un vetro metallico, Fe-Ni-P-B-Si. I materiali metallici vanno incontro
a frattura duttile quando la
deformazione avviene a temperature elevate (in generale per T> 0,4Tm). In queste condizioni e sotto l’ azione di un carico costante si osserva,
come visto nel capitolo precedente, uno scorrimento (creep) dei piani cristallini. Questo genera, anche se lo sforzo applicato è minore dello sforzo di rottura, la formazione di cavitazioni, dalle quali si propagano molto facilmente cricche, determinando così la rottura del materiale.
Questo aspetto è molto limitativo per delle apparecchiature che devono lavorare a temperature più basse di quelle che converrebbe per limitare al minimo questo fenomeno.
Cavitazioni di creep in una lega Cr-Mo-V testata a 540°C.
Polimeri: anche nel caso dei polimeri si può parlare di frattura duttile e frattura fragile. I materiali polimerici termoindurenti e quelli, più in generale, altamente reticolati vanno incontro a frattura fragile e anche alle alte temperature, benché l’ energia necessaria per rompere il materiale sia minore, la frattura rimane essenzialmente fragile in quanto la struttura reticolare dei legami rimane pressoché intatta.
Per i materiali termoplastici si hanno diversi comportamenti a seconda che ci si trovi al di sopra o al di sotto della temperatura di transizione vetrosa Tg.Infatti per temperature minori di Tg, i termoplastici vanno incontro a frattura fragile, mentre per temperature superiori ( si è nel campo della viscoelasticità ), i termoplastici vanno incontro a frattura duttile.Infine per quanto riguarda gli elastomeri va precisato che essi si rompono sempre in modo fragile poiché non vanno incontro a deformazione plastica prima della rottura.
1- frattura fragile: il meccanismo che porta alla frattura fragile dei materiali polimerici amorfi vetrosi come, ad esempio, il polimetilmetacrilato (pmma) consiste nella propagazione di una cricca a partire da zone fortemente sollecitate dove sono presenti regioni distorte dette crazes, fortemente
plasticizzate.Essi sono dovuti al movimento delle catene molecolari e all’ alta densità dei vuoti interdispersi.In realtà questo meccanismo di frattura non potrebbe essere definito fragile poiché presuppone l’ esistenza di zone plasticizzate, ma dato che tale presenza non determina un considerevole allungamento, in pratica è come se la deformazione plastica non avesse luogo.Tale meccanismo spiega il perché dell’ elevata energia necessaria per la rottura di un materiale polimerico che può essere anche di 1000 volte maggiore rispetto a quella calcolata considerando solo l’ energia dei legami carbonio-carbonio.
La foto al lato mostra la sequenza di rottura a seguito della propagazione di crazes:
a) situazione di cavitazione avanzata e punto di frattura principale P dove è presente una inclusione; b-c) la cavitazione avanza e si congiunge col sito di frattura principale.
2- frattura duttile: i materiali termoplastici al di sopra della loro temperatura di transizione vetrosa, manifestano un notevole cedimento plastico prima della frattura.Il meccanismo, che consiste nell’ allineamento delle catene polimeriche nella direzione dello sforzo, dissipa molta energia, rendendo la energia di rottura molto più elevata che non in condizioni normali.
Alla fine, quando lo sforzo sulle catene principali diventa troppo elevato, le catene si rompono e si verifica la frattura del materiale.Anche i materiali elastomerici si deformano essenzialmente nello stesso modo; ma come già osservato, essi non danno luogo a deformazione plastica e si romponodopo un notevole allungamento in maniera fragile.
Ceramici: la maggior parte dei materiali ceramici si rompe in modo fragile; solo recentemente si stanno mettendo appunto dei materiali ceramici ad alta tenacità che manifestano rottura duttile. Il comportamento fragile di questi materiali alla frattura è determinato dal tipo di legame esistente fra gli atomi o le molecole che li costituiscono
I ceramici policristallini, che costituiscono la stragrande maggioranza dei ceramici importanti dal punto di vista industriale, vanno incontro sempre a frattura fragile, in quanto essendo limitate le direzioni di scorrimento dalla presenza di legami ionici, nelle regioni dei bordi di grano si trovano sempre ( o quasi ) di fronte ioni dello stesso segno che determinano la veloce propagazione delle cricche proprio lungo queste zone e la conseguente rottura del materiale. Deformazione plastica è possibile solo nei monocristalli secondo alcune direzioni privilegiate, come ad esempio nel cristallo di NaCl in
corrispondenza dei piani di tipo (110) lungo i qualisi trovano sempre di fronte ioni di segno opposto anche durante lo scorrimento
Le principali cause che determinano la rottura di un materiale ceramico sono: la presenza di cricche superficiali, derivate da difetti di lavorazione; la presenza di pori che aiutano la concentrazione degli sforzi che possono così raggiungere localmente una notevole intensità ; la dimensione dei grani. Soprattutto questo ultimo fattore è determinante, in quanto in materiali che non presentano pori o difetti di altro genere la dimensione dei difetti si assimila a quella dei grani; visto che un grande difetto può essere la causa principale della rottura di un ceramico, tanto più i difetti sono grandi, tanto maggiore sarà la possibilità dell’ originarsi e del propagarsi di una cricca a partire da questo difetto
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Immagine relativa ai piani di scorrimento consentiti e non di un monocristallo di NaCl.
Lo studio teorico della frattura duttile e di quella fragile consente di determinare sotto quali condizioni di grandezza della cricca si avrà rottura del materiale.
Nel caso di frattura duttile, poi, lo studio teorico risulta enormemente complicato dalla sensibile deformazione plastica presente all’ apice della cricca che fa si che lo sforzo locale diminuisca enormemente e che la cricca non si propaghi o lo faccia più lentamente.
E’ essenziale, quindi, nello studio della meccanica della frattura, esprimere le grandezze significative tramite dati sperimentali che tengano conto di tutti i complessi fenomeni che avvengono e che rendono la previsione teorica molto approsimativa se non addirittura impossibile
Le prove, però, possono determinare dei parametri significativi solo se inquadrati in un contesto teorico che sulla loro base permetta di prevedere sotto quali condizioni il materiale si romperà; d’ altro canto sarebbe impossibile pensare di poter simulare tutte le diverse condizioni che volta per volta si verificano all’ utilizzo di un materiale con degli esperimenti costruiti ad hoc.
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9-3 Meccanica della frattura
Lo studio della meccanica della frattura è il necessario completamento dello studio del comportamento a frattura dei metalli. I dati sperimentali forniti dalle prove di frattura sui provini (vedi capitolo 11) forniscono dei dati che per poter essere utilizzati devono essere inseriti in un contesto teorico più rigoroso. In questo modo, già in fase di progetto si è in grado di prevedere, per lo meno a grandi linee, il comportamento del materiale e di deciderne di conseguenza il dimensionamento, i campi di temperatura di utilizzo etc.