Proprietà meccaniche. elasticità. resistenza. densità di legami chimici forza del legame

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1 Proprietà meccaniche elasticità r 0 resistenza densità di legami chimici forza del legame 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 Prove di durezza P profilo impronta 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 Proprietà meccaniche Durezza scala Mohs diamante 10 zaffiro topazio 9 8 H (GPa) Vetro sodico-calcico 5.5 quarzo 7 Vetro di silice 6 ortoclasio apatite fluorite vetro float acciaio Vetro Pyrex 4.5 Vetro di GeO Vetro di As 2 Se calcite 3 alluminio gesso 2 plastiche talco 1 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 Prove di flessione b h d! f = PL 4W E = PL3 48I! I = b h3 12 ;! d4 64 W = bh2 6 ;! d3! f = PD 2W 32! = deflessione massima E = PD ( 48I! 3L2 " 4D 2 ) Modulo elastico (o di Young) e resistenza a rottura sono misurati generalmente mediante prove di flessione. Questo perché sono difficilmente ottenibili campioni per prove di trazione (vetro e ceramici non si lavorano con facilità all utensile!). 4

5 Risonanza acustica E =! m f 2 ris L 3 T I 1 (h/l) Norma ASTM C Il modulo elastico (sia longitudinale, E, che tangenziale, G,) può essere misurato in maniera non distruttiva mediante la tecnica della risonanza acustica. La misura è descritta dalla normativa ASTM: il campione (barretta a sezione rettangolare o circolare per E, piasta per G) è sollecitato con una onda sonora di frequenza crescente generata da un primo trasduttore mentre un secondo trasduttore rileva il segnale in uscita e, in particolare, la frequenza di risonanza. La frequenza di risonanza dipende dalle dimensioni del campione e da alcune caratteristiche geometriche (T 1 e!) oltre che, ovviamente, dal modulo elastico. 5

6 Modulo elastico 3D 2D Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000 Anche il modulo elastico evolve nei vetri con la forza del legame e con la loro densità. 6

7 Resistenza a frattura stato della superficie ambiente di prova velocità di carico Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000 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. 7

8 Carichi ammissibili Carico unitario ammissibile, " adm (MPa) Posizione lastra Float Temprato Verticale Orizzontale Acquari o carichi permanenti 6 25! spessore totale (mm) = k q a 6" q a2 # amm b b/a Vetro float 1 Vetro armato 1.25 Vetro stratificato (2 lastre) 1.40 Vetro stratificato (4 lastre) 2.00 k In alcuni manuali sono riportati i valori di carico ammissibile (resistenza media divisa per un coefficiente di sicurezza superiore a 1) sopportabile da lastre in vetro. Le normative prevedono per il vetro sodico-calcico valori dello sforzo ammissibile (di sicurezza) particolarmente limitati visti i valori molto dispersi della resistenza. Per acquari, coperture, finestre il dimensionamento è fatto considerando carichi massimi di pochi MPa. 8