Duttilità
Alcuni materiali si rompono molto bruscamente, senza deformazione plastica, in quello che viene chiamato un fallimento fragile. Altri, che sono più duttili, tra cui la maggior parte dei metalli, sperimentano una certa deformazione plastica e possibilmente la rottura prima della frattura. Nella scienza dei materiali, la duttilità è la capacità di un materiale di subire grandi deformazioni plastiche prima della rottura ed è una delle caratteristiche molto importanti che gli ingegneri considerano durante la progettazione. La duttilità può essere espressa come percentuale di allungamento o percentuale di riduzione dell’area da una prova di trazione. La duttilità è un fattore importante per permettere a una struttura di sopravvivere a carichi estremi, come quelli dovuti a grandi cambiamenti di pressione, terremoti e uragani, senza subire un improvviso cedimento o collasso. È definita come:
In caso di test di tensione, la duttilità è misurata da una riduzione percentuale dell’area. Essa misura la quantità di strozzatura (o cambiamento nell’area della sezione trasversale) che si verifica prima della rottura definitiva come segue:
È possibile distinguere alcune caratteristiche comuni tra le curve sforzo-deformazione di vari gruppi di materiali. Su questa base, è possibile dividere i materiali in due grandi categorie, cioè:
- Materiali duttili. La duttilità è la capacità di un materiale di essere allungato in tensione. Il materiale duttile si deforma (allunga) più del materiale fragile. I materiali duttili mostrano una grande deformazione prima della frattura. Nella frattura duttile, un’estesa deformazione plastica (necking) ha luogo prima della frattura. La frattura duttile (frattura a taglio) è migliore della frattura fragile, perché c’è una propagazione lenta e un assorbimento di una grande quantità di energia prima della frattura. La duttilità è desiderabile nelle applicazioni ad alta temperatura e alta pressione negli impianti di reattori a causa delle sollecitazioni aggiunte sui metalli. Un’alta duttilità in queste applicazioni aiuta a prevenire la frattura fragile.
- Materiali fragili. I materiali fragili, quando sono sottoposti a stress, si rompono con poca deformazione elastica e senza una significativa deformazione plastica. I materiali fragili assorbono relativamente poca energia prima della frattura, anche quelli ad alta resistenza. Nella frattura fragile (scissione transgranulare), nessuna deformazione plastica apparente ha luogo prima della frattura. Le cricche si propagano rapidamente.
La distinzione tra fragilità e duttilità non è immediatamente evidente, soprattutto perché sia la duttilità che il comportamento fragile dipendono non solo dal materiale in questione, ma anche dalla natura e dal tipo di stress, dal tasso di carico (usura da fatica) e dalla temperatura (transizione duttile-fragile). La figura seguente mostra una tipica curva sforzo-deformazione di un materiale duttile e di un materiale fragile. Un materiale duttile è un materiale in cui la resistenza è piccola e la regione plastica è grande. Il materiale sopporterà più sforzo (deformazione) prima della frattura. Un materiale fragile è un materiale in cui la regione plastica è piccola e la resistenza del materiale è alta. La prova di trazione fornisce tre fatti descrittivi su un materiale. Questi sono la tensione alla quale inizia la deformazione plastica osservabile o lo “snervamento”; il carico di rottura o l’intensità massima del carico che può essere portato in tensione; e l’allungamento o la deformazione percentuale (la quantità di materiale che si allunga) e la riduzione percentuale accompagnatoria dell’area della sezione trasversale causata dall’allungamento. Si può anche determinare il punto di rottura o frattura.
Duttilità e durezza
La duttilità è più comunemente definita come la capacità di un materiale di deformarsi facilmente all’applicazione di una forza di trazione, o come la capacità di un materiale di resistere alla deformazione plastica senza rompersi. La duttilità può anche essere pensata in termini di piegabilità e schiacciabilità. Di solito, se due materiali hanno la stessa resistenza e durezza, quello che ha la duttilità più alta è più desiderabile. La duttilità di molti metalli può cambiare se le condizioni vengono alterate. Un aumento della temperatura aumenterà la duttilità. Una diminuzione della temperatura causerà una diminuzione della duttilità e un cambiamento dal comportamento duttile a quello fragile. La frattura duttile (frattura a taglio) è migliore della frattura fragile, perché c’è una propagazione lenta e un assorbimento di una grande quantità di energia prima della frattura. La duttilità è desiderabile nelle applicazioni ad alta temperatura e alta pressione negli impianti di reattori a causa delle sollecitazioni aggiunte sui metalli. Un’alta duttilità in queste applicazioni aiuta a prevenire la frattura fragile. La duttilità contribuisce anche ad un’altra proprietà del materiale chiamata tenacità. La tenacità combina forza e duttilità in una singola proprietà misurabile e richiede un equilibrio tra forza e duttilità.
La tenacità è la capacità di un materiale di assorbire energia e deformarsi plasticamente senza fratturarsi. Una definizione di tenacità (o più specificamente di tenacità alla frattura) è che si tratta di una proprietà che è indicativa della resistenza di un materiale alla frattura quando è presente una cricca (o un altro difetto che concentra lo stress). La tenacità è tipicamente misurata dal test Charpy o dal test Izod. La prova d’urto misura la tenacità in condizioni di carico improvviso e in presenza di difetti come intagli o cricche che concentrano lo stress nei punti deboli. La tenacità può anche essere definita rispetto alle regioni di un diagramma sforzo-deformazione. La tenacità è legata all’area sotto la curva sforzo-deformazione. La curva sforzo-deformazione misura la tenacità sotto un carico gradualmente crescente. Per essere tenace, un materiale deve essere sia forte che duttile. La figura seguente mostra una tipica curva sforzo-deformazione di un materiale duttile e di un materiale fragile. Per esempio, i materiali fragili (come la ceramica) che sono forti ma con duttilità limitata non sono tenaci; viceversa, i materiali molto duttili con bassa resistenza non sono tenaci. Per essere duro, un materiale dovrebbe resistere sia ad alte sollecitazioni che ad alte deformazioni.
Temperatura di transizione fragile-duttile
Come è stato scritto, la distinzione tra fragilità e duttilità non è immediatamente evidente, soprattutto perché sia la duttilità che il comportamento fragile dipendono non solo dal materiale in questione ma anche dalla temperatura (transizione duttile-britile) del materiale. L’effetto della temperatura sulla natura della frattura è di notevole importanza. Molti acciai mostrano una frattura duttile a temperature elevate e una frattura fragile a basse temperature. La temperatura al di sopra della quale un materiale è duttile e al di sotto della quale è fragile è nota come temperatura di transizione duttile-fragile (DBTT), temperatura di duttilità nulla (NDT), o temperatura di transizione di duttilità nulla. Questa temperatura non è precisa, ma varia a seconda del trattamento meccanico e termico precedente e della natura e delle quantità di elementi impuri. Può essere determinata da qualche forma di test di caduta del peso (per esempio, i test Charpy o Izod).
La temperatura di transizione duttile-fragile (DBTT) è la temperatura alla quale l’energia di frattura passa sotto un valore predeterminato (per esempio, 40 J per un test d’impatto Charpy standard). La duttilità è un requisito essenziale per gli acciai utilizzati nella costruzione dei componenti del reattore, come il contenitore del reattore. Pertanto, il DBTT è importante per il funzionamento di questi recipienti. In questo caso, la dimensione del grano determina le proprietà del metallo. Per esempio, una granulometria più piccola aumenta la resistenza alla trazione, tende ad aumentare la duttilità e provoca una diminuzione del DBTT. La dimensione dei grani è controllata dal trattamento termico nelle specifiche e nella fabbricazione dei recipienti del reattore. Il DBTT può anche essere abbassato da piccole aggiunte di elementi di lega selezionati come nichel e manganese agli acciai a basso contenuto di carbonio.
In genere, gli acciai a bassa lega per recipienti a pressione per reattori sono acciai ferritici che mostrano il classico comportamento di transizione da duttile a fragile con la diminuzione della temperatura. Questa temperatura di transizione è della massima importanza durante il riscaldamento dell’impianto.
Modalità di rottura:
- Regione a bassa tenacità: Il principale modo di rottura è la frattura fragile (scissione transgranulare). Nella frattura fragile, nessuna deformazione plastica apparente ha luogo prima della frattura. Le cricche si propagano rapidamente.
- Regione ad alta tenacità: Il principale modo di rottura è la frattura duttile (frattura a taglio). Nella frattura duttile, un’estesa deformazione plastica (necking) ha luogo prima della frattura. La frattura duttile è migliore della frattura fragile, perché c’è una propagazione lenta e un assorbimento di una grande quantità di energia prima della frattura.
In alcuni materiali, la transizione è più netta di altri e tipicamente richiede un meccanismo di deformazione sensibile alla temperatura. Per esempio, nei materiali con un reticolo cubico a corpo centrato (bcc) la DBTT è subito evidente, poiché il movimento delle dislocazioni a vite è molto sensibile alla temperatura perché il riarrangiamento del nucleo della dislocazione prima dello slittamento richiede un’attivazione termica. Questo può essere problematico per gli acciai con un alto contenuto di ferrite. Questo ha notoriamente portato a gravi crepe nello scafo delle navi Liberty in acque più fredde durante la seconda guerra mondiale, causando molti affondamenti. Le navi erano costruite con una lega d’acciaio che possedeva una tenacità adeguata secondo le prove di trazione a temperatura ambiente. Le fratture fragili si sono verificate a temperature ambiente relativamente basse, a circa 4°C (40°F), in prossimità della temperatura di transizione della lega. Va notato che i metalli FCC a bassa resistenza (ad esempio le leghe di rame) e la maggior parte dei metalli HCP non sperimentano una transizione da duttile a fragile e mantengono la tenacità anche per temperature inferiori. D’altra parte, anche molti metalli ad alta resistenza (ad esempio gli acciai ad altissima resistenza) non sperimentano una transizione da duttile a fragile, ma, in questo caso, rimangono molto fragili.
DBTT può anche essere influenzato da fattori esterni come la radiazione neutronica, che porta ad un aumento dei difetti reticolari interni e ad una corrispondente diminuzione della duttilità e aumento del DBTT.
Irradiation Embrittlement
Durante il funzionamento di una centrale nucleare, il materiale del contenitore a pressione del reattore e il materiale di altri elementi interni del reattore sono esposti a radiazioni neutroniche (specialmente ai neutroni veloci >0.5MeV), che provocano un infragilimento localizzato dell’acciaio e delle saldature nella zona del nucleo del reattore. Questo fenomeno, noto come infragilimento da irradiazione, provoca il costante aumento del DBTT. Non è probabile che il DBTT si avvicini alla normale temperatura operativa dell’acciaio. Tuttavia, c’è la possibilità che quando il reattore viene spento o durante un cooldown anormale, la temperatura possa scendere sotto il valore DBTT mentre la pressione interna è ancora alta. Pertanto i regolatori nucleari richiedono che un programma di sorveglianza del materiale del reattore sia condotto nei reattori di potenza raffreddati ad acqua.
Vedi anche: Riflettore di neutroni
L’infragilimento da irraggiamento può portare alla perdita di tenacità della frattura. Tipicamente, gli acciai a bassa lega per recipienti a pressione dei reattori sono acciai ferritici che mostrano il classico comportamento di transizione duttile-fragile con la diminuzione della temperatura. Questa temperatura di transizione è della massima importanza durante il riscaldamento dell’impianto.
Modalità di rottura:
- Regione a bassa tenacità: Il principale modo di rottura è la frattura fragile (scissione transgranulare). Nella frattura fragile, nessuna deformazione plastica apparente ha luogo prima della frattura. Le cricche si propagano rapidamente.
- Regione ad alta tenacità: Il principale modo di rottura è la frattura duttile (frattura a taglio). Nella frattura duttile, un’estesa deformazione plastica (necking) ha luogo prima della frattura. La frattura duttile è migliore della frattura fragile, perché c’è una propagazione lenta e un assorbimento di una grande quantità di energia prima della frattura.
L’irradiazione di neutroni tende ad aumentare la temperatura (temperatura di transizione da duttile a fragile) in cui avviene questa transizione e tende a diminuire la tenacità duttile.