Dislocazioni e deformazione plastica

Dislocazioni e deformazione plastica Studio del ruolo delle dislocazioni nella deformazione plastica Meccanismi che sono alla base delle tecniche per aumentare la durezza e la resistenza dei metalli e delle loro leghe Dislocazioni a spigolo a vite miste NUOVE DISLOCAZIONI (DA PUNTI IN CUI SI CONCENTRANO SFORZI) DISLOCAZIONI ESISTENTI BORDI DEL GRANO DIFETTI INTERNI IRREGOLARITÀ SUPERFICIALI (GRAFFI, INCISIONI) FORMAZIONE DI DISLOCAZIONI - Solidificazione - Deformazione plastica - Tensioni di origine termica prodotte da rapido raffreddamento DENSITÀ DI DISLOCAZIONI Lunghezza totale di dislocazione per unità di volume (mm/mm 3 ) Numero di dislocazioni che intersecano un area unitaria di una sezione qualsiasi (mm -2 ) Metalli raffreddati lentamente: < 10 3 mm -2 Metalli deformati plasticamente > 10 9-10 10 mm -2 Ceramici : 10 2-10 4 mm -2 Si : 0.1-1 mm -2

Movimento della dislocazione Dislocazione a spigolo si muove in caso di sforzo di taglio nella direzione al suo asse Se sforzo di taglio sufficientemente grande i legami interatomici del semipiano B si rompono lungo il piano di taglio SPIGOLO DI UNA UNITÀ INTERATOMICA PIANO DI SCORRIMENTO : piano cristallografico lungo il quale si sposta l asse della dislocazione STRUTTURA PRIMA E DOPO PASSAGGIO DELLA DISLOCAZIONE È ORDINATA E PERFETTA È SOLO CON IL PASSAGGIO DELLA DISLOCAZIONE CHE LA STRUTTURA VIENE SCOMPOSTA

Movimento della dislocazione e sforzo di taglio Moto della dislocazione // allo sforzo di taglio Moto della dislocazione allo sforzo di taglio

Caratteristiche delle dislocazioni Per effetto della deformazione plastica - 5% energia trattenuta all interno del materiale (energia assunta dalle dislocazioni) - Il resto dissipata sotto forma di calore SFORZI DI TAGLIO Per dislocazione a vite Tensioni di taglio pure I campi di deformazione intorno alle dislocazioni influenzano - Il loro moto - La facilità a riprodursi per effetto della deformazione plastica Campi possono interagire Su ciascuna deformazione agiscono sforzi dovuti all interazione di tutte le altre vicine CAMPI DI DEFORMAZIONE: deformazioni del reticolo che si irradiano dall asse della dislocazione e diminuiscono con l allontanarsi da questo

Sistemi di scorrimento delle dislocazioni Moto dislocazioni Esiste piano cristallografico preferenziale (Piano di scorrimento) Direzioni cristallografiche preferenziali (Direzioni di scorrimento) Sistema di scorrimento Dipende dalla struttura cristallina Distorsione atomica sia minima Più densa compattazione atomica b b = a 2 110 b = a 2 111 b = a 3 11 ഥ20 FRAGILI b Direzione scorrimento Modulo distanza unitaria dello scorrimento i.e. distanza interatomica in quella direzione

Scorrimento nei monocristalli Le dislocazioni si muovono per sforzi di taglio nel piano di scorrimento lungo la direzione di scorrimento Sollecitazione di pura trazione (o compressione), s s trazione t taglio Sforzi di taglio indotti τ R = σ cos φ cos l l + f 90 non sono necessariamente sullo stesso piano! σ s = In un cristallo per una data sollecitazione a trazione o compressione, esiste uno sforzo di taglio indotto max per un certo sistema di scorrimento Sforzo di taglio τ R max = σ (cos φ cos l) max > τ stic τ stic (cos φ cos l) max Sforzo di snervamento indotto critico Minimo sforzo se cristallo orientato l = f = 45

Scorrimento nei monocristalli Scorrimento avviene lungo certi piani e direzioni equivalenti Formazione di gradini Risultato di moto di un gran numero di dislocazioni I gradini appaiono come rigature su superficie lucidata: linee di scorrimento Con il procedere della trazione aumentano numero di linee scorrimento altezza dei gradini Se la direzione dello sforzo è normale alla direzione di scorrimento l = 90 o parallela al piano di scorrimento f = 90 Il cristallo si frattura, non c è deformazione plastica (tipico delle strutture hcp )

Deformazione plastica dei policristalli Direzioni di scorrimento variano da grano a grano Nel corso della deformazione viene conservata l integrità meccanica e la coesione I bordi grano non si separano né si aprono Ciascun grano costretto da quelli adiacenti ad assumere una certa forma Policristalli più forti di un monocristallo Sforzi maggiori per iniziare snervamento Tutti i grani devono poter scorrere, anche quelli meno favorevolemtne orientati

Deformazione per geminazione (twinning) Quando avviene? Metalli bcc e hcp a bassa T Elevata velocità di sollecitazione (tensionamento shock) Situazioni in cui pochi sistemi di scorrimento sono operativi Piccola deformazione plastica per geminazione Riorientazione può dare origine a nuovi sistemi di scorrimento Ampiezza dello spostamento all interno di una zona di geminazione alla distanza tra 2 piani di geminazione Cambia orientazione cristallografica sopra e sotto il piano di scorrimento Riorientazione di atomi all interno dell area geminata (si spostano meno di una distanza interatomica)

Meccanismi di aumento della resistenza nei materiali Richieste da soddisfare - Resistenza (Alti valori di durezza, di sforzo di snervamento e di rottura) - Duttilità - Tenacità MOVIMENTO DI DISLOCAZIONI DEFORMAZIONE PLASTICA Tecniche di indurimento Limitano o ostacolano il moto delle dislocazioni PER I MATERIALI MONOFASICI Riduzione della dimensione del grano Alligazione della soluzione solida Incrudimento

Aumento della resistenza per riduzione della dimensione del grano POLICRISTALLO La dimensione del grano influisce sulle proprietà meccaniche Il bordo del grano barriera al movimento delle dislocazioni Dislocazione deve cambiare direzione di movimento più disorientati i grani maggiore ostacolo Stato di disordine degli atomi a bordo grano discontinuità nello scorrimento dei piani passando da un grano all altro Al limite non riescono ad attraversare il bordo grano Si addensano al bordo grano Concentrazioni di tensioni davanti ai piani di scorrimento Nascita di nuove dislocazioni in piani adiacenti

Aumento della resistenza per riduzione della dimensione del grano Più è grande la superficie totale di bordo grano maggiore è l impedimento al moto delle dislocazioni LEGA 70CU-30ZN GRANA FINE Maggiore resistenza e al contempo maggiore rigidità del materiale EQUAZIONE DI HALL-PETCH σ s = σ 0 + k s d 1/2 Per grani non molto grandi o estremamente fini non è valida Riduzione dimensioni del grano migliora anche tenacità di alcune leghe DIMENSIONE DEL GRANO Velocità di solidificazione da fase liquida Deformazione plastica + trattamento termico

Aumento della resistenza per soluzione solida Aumento di resistenza per introduzione di atomi di impurezze interstiziali o sostituzionali Forti deformazioni del reticolo Interazioni tra i campi di deformazione delle dislocazioni e quelli indotti da questi atomi di impurezza Ostacolo al movimento delle dislocazioni PARZIALE RIDUZIONE DEL CAMPO DI DEFORMAZIONE Se si rimuove l impurezza aumenta campo deformazione Interazioni si possono formare durante deformazione plastica

Incrudimento Aumento di resistenza e durezza di un metallo duttile attraverso la deformazione plastica Indurimento da lavorazione o Lavorazione a freddo MECCANISMO Interazioni del campo di deformazione dislocazionedislocazione Con la deformazione plastica aumentano le dislocazioni La loro densità La distanza media Maggiore probabilità di repulsione tra i campi di dislocazione Ostacolo al moto di dislocazioni Sforzo necessario aumenta con l aumentare della lavorazione a freddo

Incrudimento Aumento di resistenza e durezza di un metallo duttile attraverso la deformazione plastica Indurimento da lavorazione o Lavorazione a freddo Grado di deformazione plastica a cui si arriva nel processo di incrudimento LF% = A 0 A d A 0 100 Area sezione trasversale

Incrudimento Aumento di resistenza e durezza di un metallo duttile attraverso la deformazione plastica Indurimento da lavorazione o Lavorazione a freddo Grado di deformazione plastica a cui si arriva nel processo di incrudimento LF% = A 0 A d A 0 100 Area sezione trasversale σ R = K ε R n n esponente dell incrudimento MISURA DELLA CAPACITÀ DI UN METALLO AD INCRUDIRE Maggiore suo valore maggiore indurimento per deformazione

Recupero, ricristallizzazione e accrescimento del grano Deformando plasticamente materiale policristallino a T < T f Variazione della configurazione del grano Incrudimento Aumento della densità delle dislocazioni Parte energia spesa per la deformazione Immagazzinata come energia di deformazione nelle zone di trazione, compressione e taglio intorno alle nuove dislocazioni Conduttività elettrica e resistenza alla corrosione variano TRATTAMENTO TERMICO (Ricottura) tornare alle proprietà iniziali Due processi Recupero Ricristallizzazione crescita del grano

Recupero Le dislocazioni si muovono a causa della diffusione degli atomi attivata alla alta T Parte dell energia interna immagazzinata viene rilasciata Le dislocazioni parzialmente ridotte Ridistribuite secondo configurazioni a bassa energia di deformazione Conduttività elettrica riportata allo stato precedente la lavorazione a freddo CONTINUA A PERMANERE UNA PARTE DI ENERGIA INTERNA NEI CAMPI DI DEFORMAZIONE

Ricristallizzazione Nuova formazione di grani: non deformati equiassiali con bassa densità di dislocazioni FORZA MOTRICE Differenza di energia interna tra materiale deformato e non deformato Da nuclei molto piccoli Processo di diffusione su breve distanza Si può tornare alle proprietà meccaniche originarie Progettare un materiale meno resistente e più duttile

Ricristallizzazione Dipende dalla T e dal tempo (durata del processo) Il grado di ricristallinizzazione dipende dalla durata del processo Aumenta con il tempo Lega CuZn LF% = 33% T=580 C 3s T=580 C 4s T=580 C 8s T=580 C 15 min T=700 C 10 min

Ricristallizzazione Temperatura di ricristallinizzazione Temperatura a cui la ricristallinizzazione si completa in un ora Compresa tra 1/3 e 1/2 T f Dipende dall entità della lavorazione a freddo Dipende dalla purezza della lega Fe Valore limite Al crescere della lavorazione a freddo Aumenta la velocità di ricristallinizzazione Diminuisce la T di ricristallinizzazione LF% > LF% critico (2-20%) CuZn PROCESSI DI LAVORAZIONE A CALDO : T> T RICR Materiale rimane tenero e duttile grandi deformazioni

Ricristallizzazione La velocità di ricristallinizzazione è maggiore per i metalli puri che per le leghe Movimento del bordo grano Gli atomi di impurezza segregano preferenzialmente ai bordi dei grani ricristallizzati Diminuiscono la mobilità del bordo grano Metalli puri T ricr 0.4 T f Leghe T ricr 0.7T f Diminuisce la velocità di accrescimento del grano Aumenta la temperatura di ricristallizzazione

Accrescimento del grano Al bordo grano è associata un energia Al crescere delle dimensioni del grano la lunghezza del bordo diminuisce Minimizzazione dell energia Migrazione dei bordi dovuto diffusione di atomi a breve distanza da un lato all altro del bordo Grani crescono a scapito di quelli più piccoli d n d 0 n = Kt n 2 Aumenta velocità di diffusione al crescere di T Grani crescono più velocemente

Frattura Separazione di un corpo in uno o più elementi per effetto carico statico (costante o lentamente variabile nel tempo) a T < T f Cause: Fatica (sforzi ciclici) Creep (deformazione dipendente dal tempo, in genere per T elevate) Sforzo: trazione, compressione, taglio, torsione o misto METALLI E POLIMERI Frattura duttile e fragile CERAMICI Frattura Fragile DUTTILE E FRAGILE Temperatura del materiale Velocità della sollecitazione Modalità della sollecitazione Processo di rottura: - Formazione di una cricca (crepa) - Propagazione della cricca Deformazione plastica contenuta Processo rapido CRICCA INSTABILE Avanza spontaneamente Deformazione plastica intensa vicino alla cricca Processo lento CRICCA STABILE Avanza solo se si aumenta il carico Deformazione superficie di rottura (torsione, lacerazione)

Frattura Duttile Cavità allungate o a C Metalli teneri Au, Pb, polimeri, vetri inorganici a alte T Metallo duttile Cavità emisferiche INGRANDIMENTO E FORMAZIONE DI MICROVUOTI COALESCENZA DI MICROVUOTI ASSUNZIONE FORMA ELLITTICA CON ASSE MAGGIORE DIREZIONE SFORZO Strizione completa Strizione moderata ROTTURA PER DEFORMAZIONE DI TAGLIO, ANGOLO 45 CON L ASSE DI TRAZIONE MAX SFORZO DI TAGLIO FRATTURA A COPPA E CONO IRREGOLARITÀ FIBROSE NELLA PARTE CENTRALE (INDICE DI DEFORMAZIONE PLASTICA)

Frattura Fragile Deformazione plastica contenuta Processo rapido CRICCA INSTABILE Avanza spontaneamente nella direzione a quella del carico di trazione frattura relativamente piana Linee o creste che si irradiano a ventaglio dal punto di innesco Linee a V rovesciata vicino al centro della sezione trasversale della frattura che puntano al punto di innesco PER I METALLI MOLTO DURI E A GRANA FINE, I CERAMICI Superficie lucide e levigate

Frattura Fragile La cricca si propaga per rotture successive di legami atomici lungo piani cristallografici ben precisi CLIVAGGIO Rottura transgranulare (o transcristallina) le cricche passano attraverso i grani

Frattura Fragile In alcune leghe la cricca si propaga attraverso i bordi grano Rottura intergranulare Causata da processi di indebolimento dei bordi grano Natura 3D dei grani

Meccanica della Frattura Quantificare le relazioni tra i meccanismi di propagazione della cricca e Le proprietà del materiale Il livello di sforzo Presenza di difetti capace di indurre formazione di cricche PREVEDERE E PREVENIRE I CEDIMENTI STRUTTURALI Concentrazione degli sforzi Valori di Resistenza alla Frattura sperimentali < teorici (energie di legame tra atomi) Microscopici difetti (cricche) all interno e in superficie Riducono la resistenza alla rottura Apici carico amplificato o concentrato dipende dalla orientazione e geometria σ 0 carico applicato/area trasversale INTENSIFICATORE DEGLI SFORZI

Concentrazione degli sforzi Assunzione: foro ellittico passante (esteso per tutto lo spessore) attraverso una piastra e con asse maggiore al carico σ m = 2 σ 0 a ρ t LUNGHEZZA CRICCA DI SUPERFICIE O SEMILUNGHEZZA DI 1/2 CRICCA DI VOLUME Per microcricche σ m σ 0 Non solo difetti microscopici discontinuità interne macroscopiche (vuoti o inclusioni) Angoli appuntiti Intagli FATTORE DI CONCENTRAZIONE DEGLI SFORZI Misura del grado di amplificazione dello sforzo in corrispondenza di una cricca K t = σ m σ 0 = 2 Effetto intensificazione sforzo nei materiali fragili >> duttili σ c = 2Eγ s πa SFORZO CRITICO PER 1/2 PROPAGAZIONE CRICCA IN MATERIALI FRAGILI 1/2 a ρ t Redistribuzione dello sforzo a causa della deformazione plastica

Tenacità della frattura K c = Yσ c πa 1/2 Resistenza del materiale alla frattura fragile quando è presente una cricca parametro adimensionale dipende da dimensioni e geometria del provino Y =1 Y =1.1 Per provini sottili K c dipende dallo spessore d Se d >> dimensioni cricca K c è indipendente da d Diminuisce all aumentare della velocità di deformazione e al diminuire di T Diminuisce all aumentare dello sforzo per snervamento dovuto a formazioni di soluzioni solide, microprecipitazione, incrudimento Aumenta al diminuire dimensione dei grani, a parità di composizione e microstruttura DEFORMAZIONE PIANA No deformazioni nella direzione alle facce della piastra K Ic = Yσ c πa 1/2 FRAGILI: basso rotture catastrofiche DUTTILI: abbastanza elevati

Valutazione della tenacità della frattura Provino (geometria e dimensioni specificate) + difetto creato appositamente (difetto acuto) Sollecitare il provino con una determinata velocità di carico Misura avanzamento della cricca con lo sforzo applicato Comportamento a bassa velocità di carico (prove di trazione) Comportamento ad alta velocità CONDIZIONI DI PROVA DI ROTTURA Deformazione a T basse Alta velocità di deformazione Condizioni di sforzo triassiale (ottenibili con un intaglio) Metodo Charpy con intaglio a V e Metodo Izod Importanti se confronti tra materiali non in assoluto ENERGIA DI IMPATTO O TENACITÀ DELL INTAGLIO: energia assorbita in seguito all impatto

Metodo Charpy con intaglio a V e Metodo Izod Il materiale mostra la transizione Duttile Fragile al diminuire della T? % AREA FRATTURA PER TAGLIO Ad alte T l energia di impatto è alta frattura duttile Al decrescere della T e in un ristretto DT l energia di impatto diminuisce Poi, decrescendo ancora T, la energia di impatto tende a valori costanti ma bassi frattura fragile Superficie opaca o Coesistenza fibrosa (taglio) Definire la T di transizione corrispondente ad un dato valore di Energia di impatto % Area di frattura T (100 % frattura fibrosa) Utilizzo a T> T di transizione Brillante o granulare (clivaggio)

Metodo Charpy con intaglio a V e Metodo Izod (leghe Al e Cu)- Duttili L energia d impatto dipende da T Struttura cristallina Resistenza alla rottura Acciaio ad alta resistenza e leghe di Ti) - Fragili Acciaio a bassa resistenza Composizione lega (es. contenuto di C) Microstruttura (es. diminuendo dimensione grani diminuzione T transizione) TRANSIZIONE DUTTILE FRAGILE CERAMICI (> 1000 C) E POLIMERI

Fatica Cedimento che si verifica in strutture sottoposte a sforzi dinamici e fluttuanti (anche ciclici) per lunghi periodi La rottura si può manifestare a livelli di sforzo considerevolmente inferiori ai carichi di rottura o di snervamento La fatica è al 90% causa di rottura dei metalli Rotture per fatica: catastrofiche e improvvise (senza alcun preavviso) Caratteristiche simili alla rottura fragile (scarsa o nulla deformazione plastica) - Innesco e propagazione di cricche - superficie di frattura allo sforzo di trazione applicato

Sforzi ciclici Rapporto di carico R = σ min σ max Ampiezza del ciclo di sforzo σ a = σ max σ min 2 CICLO A CARICO INVERTITO Sinosuidale nel tempo Simmetrico Livello medio sforzo, σ m = σ max+σ min = 0 2 CICLO A CARICO RIPETUTO Sinosuidale nel tempo asimmetrico Livello medio sforzo, σ m = σ max+σ min 0 2 Sforzo varia casualmente nel tempo e in entità

La curva sforzo-numero di cicli Provino sottoposto a sforzo ciclico ad un ampiezza di carico 2/3 resistenza trazione statica Si contano numero di cicli che portano alla rottura Si ripete su altri provini con carico decrescente Leghe non ferrose (di Al, Cu, Mg) FATICA A BASSI CICLI : Deformazione plastica + elastica N 10 4-10 5 FATICA AD ALTI CICLI : Deformazione elastica N > 10 4-10 5 Non c è rottura Leghe ferrose o di Ti Limite di fatica : 35-60% resistenza alla trazione Resistenza a fatica : sforzo a cui si ha rottura per N specificato

Innesco e propagazione di una cricca 1) Innesco della cricca, in un punto dove c è un elevata concentrazione di sforzo 2) Propagazione della cricca: la cricca avanza ad ogni ciclo di carico 3) Frattura finale, che si ottiene rapidamente non appena le dimensioni della cricca = di quelle critiche CRICCHE SUPERFICIALI Siti di nucleazione: scalfiture, bruschi raccordi, sedi di chiavette, filettature, denti, microscopiche discontinuità superficiali indotte dal carico ciclico IMPRONTE SULLA SUPERFICIE DI FRATTURA (curve concentriche con il punto di partenza della cricca) - Linee di spiaggia (macroscopiche, tipiche per propagazione cricca con ripetute interruzioni, ogni banda : periodo di tempo in cui la cricca si è propagata) - Striature (microscopiche, singola striatura: distanza di avanzamento del fronte della cricca durante singolo ciclo di carico; larghezza aumenta con aumentare sforzo) Non sono visibili se cedimento repentino

Innesco e propagazione di una cricca 1) Innesco della cricca, in un punto dove c è un elevata concentrazione di sforzo 2) Propagazione della cricca: la cricca avanza ad ogni ciclo di carico 3) Frattura finale, che si ottiene rapidamente non appena le dimensioni della cricca = di quelle critiche CRICCHE SUPERFICIALI MIGLIORARE LA SUPERFICIE DOPO LA LAVORAZIONE Siti di nucleazione: scalfiture, bruschi raccordi, sedi di chiavette, filettature, denti, microscopiche discontinuità superficiali indotte dal carico ciclico IMPRONTE SULLA SUPERFICIE DI FRATTURA (curve concentriche con il punto di partenza della cricca) - Linee di spiaggia (macroscopiche, tipiche per propagazione cricca con ripetute interruzioni, ogni banda : periodo di tempo in cui la cricca si è propagata) - Striature (microscopiche, singola striatura: distanza di avanzamento del fronte della cricca durante singolo ciclo di carico; larghezza aumenta con aumentare sforzo) Non sono visibili se cedimento repentino

Trattamenti superficiali Introduzione tensione residua di compressione superficiale Sforzo di trazione viene annullato o ridotto Minore probabilità di avere delle cricche superficiali Come? PALLINATURA (PER METALLI DUTTILI): esposizione del componente a bombardamento ad alta velocità di sfere dure di D = 0.1-1 mm sforzo di compressione a profondità 0.25-0.5 D CEMENTAZIONE (PER ACCIAI): Esposizione del componente a atmosfere ricche in C o N Per effetto diffusione di atomi da fase gassosa Leghe superficiali ( 1mm) ricche in C o N Aumenta durezza parte cementata Tensioni residue di compressione

Effetti Ambientali FATICA TERMICA Indotta a alte T ed è dovuta ad oscillazioni termiche fluttuanti (anche in assenza di sforzi meccanici applicati) Impossibilità di espandersi o contrarsi liberamente σ = α l E T α l : Coefficiente di espansione termica E : modulo elastico CORROSIONE-FATICA Rottura che avviene per azione simultanea sforzi ciclici e attacco chimico Gli ambienti corrosivi (anche l aria) riducono la vita a fatica - Piccole vaiolature superficiali concentratori di sforsi - Velocità propagazione cricca aumenta per effetto dell ambiente Applicazione di rivestimenti protettivi Riduzione carico di trazione applicato con trattamenti superficiali

Scorrimento a caldo o creep Materiali sottoposti a sforzi di tipo statico ad alte T Deformazione permanente di un materiale sottoposto a un carico costante Lo scorrimento a caldo dipende dal tempo ed è indesiderato Metalli rilevante a T> 0.4 Tf Polimeri e le gomme sono estremamente sensibili alla deformazione da creep Prove a carico costante a determinata T migliore comprensione del meccanismo di scorrimento CREEP PRIMARIO: velocità di scorrimento decrescente pendenza diminuisce Aumenta resistenza al creep Deformazione diventa più difficile ma aumenta CREEP SECONDARIO (O STAZIONARIO): velocità di scorrimento costante: bilanciamento tra incrudimento e recovery CREEP TERZIARIO: accelerazione della velocità fino al cedimento: modificazioni microstrutturali (separazione bordi di grano, formazioni cricche interne, cavità e vuoti, fenomeni di contrazione regioni interne diminuzione area sezione trasversale)

Scorrimento a caldo o creep A T> Tf La deformazione istantanea al momento dell applicazione dello sforzo è maggiore La velocità di creep stazionario aumenta Diminuisce il tempo di vita a rottura ε s ሶ = K 2 σ n e Q c RT Qc : energia di attivazione del materiale K2 costante n indica tipo di diffusione Diffusione di vacanze Diffusione contorno grani Movimento di dislocazioni Scorrimento bordo grani