Anche le proprietà meccaniche dipendono sostanzialmente dai legami chimici presenti nel materiale. La curva che esprime la forza agente tra due atomi

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1 Anche le proprietà meccaniche dipendono sostanzialmente dai legami chimici presenti nel materiale. La curva che esprime la forza agente tra due atomi contiene le informazioni fondamentali per l elasticità e la resistenza a rottura. In un solido formato da più atomi importanti saranno la forza del legame e la densità dei legami. Tanto più elevata è la pendenza della curva all intersezione con l asse delle ascisse, tanto più elevato è il modulo elastico del materiale. 1

2 La durezza di un materiale esprime la sua resistenza alla penetrazione di un altro corpo. Nei vetri (e nei ceramici) si misurano generalmente la durezza Vickers e quella Knoop facendo uso di piramidi di diamante. Per la prima si usano carichi superiori al Newton, per la seconda carichi inferiori ai 10 N. 2

3 La durezza di un materiale viene espressa in maniera semplice dalla scala di Mohs. L andamento dei valori di durezza nei vetri segue quello della forza del legame (e.g., Si-O più forte di Ge-O) e della densità dei legami (e.g., tridimensionali in SiO 2 e bidimensionali in B 2 O 3 ) 3

4 Anche il modulo elastico evolve nei vetri con la forza del legame e con la loro densità. 4

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7 Al fine di non considerare l effetto dei bordi e quindi testare solo la superficie del vetro spesso si utilizzano prove di flessione biassiale su lastre di grosse dimensioni. 7

8 Per campioni più piccoli si può usare una flessione biassiale realizzata mediante due anelli concentrici. 8

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10 La resistenza a frattura dei vetri dipende dallo stato superficiale, dall ambiente di prova, dalla velocità di applicazione del carico e dall estensione del campione. La resistenza è limitata nei campioni sottoposti ad abrasione, più elevata in quelli nei quali lo strato superficiale è stato rimosso per azione chimica con HF ( etched ). La resistenza cresce all aumentare della velocità di applicazione del carico. La resistenza cresce al diminuire della temperatura e del tenore di umidità. Si può inoltre osservare che la resistenza risulta sempre molto dispersa. Interessante è anche la differenza tra il carico medio di rottura e la sollecitazione ammessa dalle norme. 10

11 La resistenza a frattura di un materiale fragile quale il vetro presenta specifiche caratteristiche. 11

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13 L impatto con particelle dure può essere studiato analizzando il processo di indentazione (prova di durezza). Nel caso si usi un indentatore appuntito (Vickers o Knoop) il contatto provoca inizialmente la formazione di una zona plastica (zona altamente danneggiata deformata irreversibilmente); si produce quindi un sistema di cricche semicircolari ( mediano-radiali ), ortogonali tra di loro che partono dai vertici dell impronta di durezza. In fase di rimozione del carico nasce anche una fessura circolare ad una certa profondità ( laterale ) che può, per carichi elevati, raggiungere la superficie e causare l asporto di una porzione del materiale (processo legato all abrasione). 13

14 Nel caso di indentatore arrotondato in fase di carico si genera inizialmente, attorno all area di contatto, una fessura circolare che può penetrare nel materiale con una forma a tronco di cono ( cono herziano ). 14

15 Utilizzando un approccio meccanico si può risolvere il problema degli sforzi e delle deformazioni in un solido contenente discontinuità geometriche. In pratica è possibile calcolare sforzi e deformazioni di solidi nei quali sono presenti difetti appuntiti (ρ = 0): questa branca della meccanica del continuo è chiamata propriamente meccanica della frattura. E possibile dimostrare che il campo di sforzo e di spostamento nei pressi dei punti di discontinuità dipende da un fattore detto fattore di intensità degli sforzi o stress intensity factor (K). 15

16 Tenuto conto che la forza motrice per la frattura (G) definita precedentemente dipende dall energia elastica del solido e dal lavoro delle forze esterne, si può anche dimostrare l equivalenza tra G e K. Quindi K rappresenta anch esso una forza motrice per la frattura. 16

17 La resistenza di un materiale dal comportamento fragile può quindi essereanalizzata attraverso gli strumenti della meccanica della frattura. Il sistema di riferimento è quello di un componente soggetto a carichi esterni e avente un difetto dominante. Il carico esterno viene inteso come fattore di intensità degli sforzi o forza motrice per la frattura; la resistenza del materiale è rappresentata dalla tenacità a frattura o dall energia di frattura. 17

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19 Il fenomeno della fatica nel vetro corrisponde alla propagazione sub-critica (con K<K C ) dei difetti in presenza di umidità. In altre parole, qualunque sia la tipologia del carico applicato (sia esso statico che ciclico), in presenza di molecole d acqua si ha un deterioramento della resistenza del vetro. La velocità di propagazione aumenta con il K applicato. Il fenomeno, nel vetro, è legato ad un effetto tensocorrosivo dell acqua, ossia alla reazione che avviene all apice dei difetti tra il reticolo vetroso e l acqua stessa (si parla di attacco nucleofilo). Passando dalla silice al vetro borosilicato, la velocità di propagazione del difetto aumenta. In pratica, se si considera un vetro nel quale è presente un difetto, lavorando in assenza di umidità, esso tenderà a rompersi quando K giunge al valore di K c. Lavorando invece con lo stesso provino in ambiente umido il difetto si propagherà a carichi inferiori. 19

20 Il fenomeno della fatica è termicamente attivato e dipende dalla concentrazione della specie H 2 O. E definibile un limite inferiore di K, detto di soglia, sotto il quale v = 0. 20

21 Per il comportamento a fatica si accetta generalmente una funzione v =A K n. 1): zona inferiore a K th. Al di sotto di questo valore la velocità di crescita è nulla e il materiale non manifesta fatica (il carico fa arrotondare i difetti per via della tensione superficiale). 2): zona in cui K th <K <K c. Siamo in situazione sub-critica nella quale è valida la relazione semi-empirica υ = υ 0 (K/K c ) n ; i due parametri n e υ 0 dipendono dal materiale e dall ambiente. 3): zona in cui K> K c. Il materiale si rompe criticamente. 21

22 I parametri v 0 e n sono misurati mediante prove di fatica dinamica, ovvero prove di rottura in ambiente aggressivo (acqua) a diversa velocità di carico. In figura si osserva chiaramente che sforzo di rottura in acqua decresce al diminuire della velocità di applicazione del carico. 22

23 Alternativamente possono essere usate prove di fatica statica (a carico costante) in cui vado a misurare il tempo di rottura. Noti il carico applicato e la resistenza in ambiente inerte si può calcolare il tempo di vita di un oggetto. 23

24 Per garantire una vita minima a un manufatto in ambiente aggressivo, questo può essere sottoposto a proof test. A seconda del carico cui viene sottoposto in ambiente inerte e al quale sopravvive, è definibile una vita utile dipendente dal carico di esercizio. Il proof test è in genere condotto sulle fibre ottiche. 24

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