Quali sono i materiali a proprietà nota con la migliore resistenza alla frattura?

Introduzione

La tenacità alla frattura è un valore che indica l'energia che può essere assorbita da un materiale prima che si fratturi. Scienziati e ingegneri si basano su questo valore per scegliere i materiali per ponti, aerei e utensili di uso quotidiano. Parliamo di diverse categorie di materiali in termini semplici e di come reagiscono in caso di accumulo di sollecitazioni.

Metalli e leghe: Campioni di tenacità

I metalli hanno una lunga storia di utilizzo in cui la tenacità alla fratturaè richiesta ed è estremamente elevata. È probabile che presentino un ottimo rapporto resistenza-duttilità.

- Acciaio Maraging: Mostra una tenacità alla frattura di 100-200 MPa√m. È molto duttile con un'elevata resistenza e viene impiegato per parti e componenti strutturali ad alte prestazioni.

- Acciai ad alta tenacità: Questi acciai offrono circa 80-150 MPa√m. Questi acciai sono resistenti alla crescita delle cricche se sottoposti a un attento controllo della microstruttura e sono utilizzati in applicazioni in cui l'affidabilità è fondamentale.

- Leghe di titanio (titanio-6 alluminio-4 vanadio): Con valori di 55-110 MPa√m, queste leghe sono ampiamente utilizzate per il loro peso ridotto e la resistenza alla corrosione. Sono ampiamente utilizzate nella produzione di aerei e dispositivi medici.

- Vetri metallici: Hanno una resistenza di circa 80-100 MPa√m. Possiedono una deformazione di taglio localizzata come risultato del loro carattere amorfo, che porta alla loro insolita miscela di resistenza e tenacità.

Imetalli sono inclini ad avere la migliore tenacità alla frattura perché i loro atomi possono riorganizzarsi quando sono sottoposti a stress. Questo riarrangiamento smussa le cricche e distorce l'energia prima di un cedimento catastrofico.

Ceramica: Il più duro tra i materiali fragili

Le ceramiche sono note per la loro resistenza alle alte temperature. Non sono però resistenti alla frattura come i metalli. Gli ingegneri hanno lavorato instancabilmente per rendere la ceramica più resistente.

- Zirconia stabilizzata con ittrio (Y-TZP): ha una tenacità alla frattura di 10-15 MPa√m. Utilizza la tempra di trasformazione, in cui una minima alterazione della struttura cristallina rende il materiale più resistente alla crescita di cricche.

- Allumina temprata con zirconio (ZTA): Con valori di circa 7-10 MPa√m, la ZTA rappresenta un miglioramento rispetto all'allumina pura, con vantaggi sia della zirconia che dell'allumina insieme.

Le ceramiche semplici, come il carburo di silicio, l'allumina semplice e persino il diamante, presentano valori più tenaci. I metodi di tempra significativi sono la trasformazione, il microcrack bridging e l'inclusione di particelle di seconda fase che rallentano o bloccano la crescita delle cricche.

Compositi: Durezza direzionale

I materiali compositi combinano due o più materiali diversi in uno solo. In questo modo è possibile trasferire proprietà come la tenacità alla frattura a esigenze specifiche.

- Compositi rinforzati con fibre di carbonio: Possiedono valori di tenacità alla frattura di circa 20-40 MPa√mnella direzione delle fibre. La loro resistenza e leggerezza ne giustificano l'impiego nel settore aerospaziale e nelle attrezzature sportive ad alte prestazioni.

- Compositi aramidici e compositi rinforzati con fibre di vetro: hanno un costo che si aggira intorno ai 10-20 MPa√m. Pannelli automobilistici e dispositivi di protezione li utilizzano per il loro ragionevole compromesso tra resistenza e spesa economica.

- Compositi ibridi: Grazie allo sfruttamento di fibre diverse, i compositi ibridi offrono una tenacità su misura. I compositi ibridi sfruttano le migliori caratteristiche di ciascun materiale.

I meccanismi attraverso i quali questi compositi diventano resistenti alla crescita delle cricche includono il pull-out delle fibre, il bridging e la deflessione delle cricche. Questi meccanismi rallentano la progressione della cricca mentre si muove attraverso il materiale, migliorando la tenacità complessiva.

Materiali superlativi/avanzati

I materiali avanzati non sono tutti caratterizzati dalle solite tendenze di tenacità.

- Diamante: A causa della sua durezza, il diamante ha una tenacità alla frattura piuttosto bassa, pari a circa 5 MPa√m. Ciò significa che si scheggia o si rompe in determinate condizioni, pur essendo molto duro in superficie.

- Ceramiche e compositi nanostrutturati: Vengono testati sperimentalmente per vedere se possono essere temprati. La struttura fine può chiudere i percorsi delle crepe.

- Metalli migliorati con il grafene o nanocompositi metallici: è probabile che la ricerca in entrambe le aree dia i suoi frutti. Questi materiali di nuova generazione combinano i metalli con proprietà su scala nanometrica o con il grafene. Le prime indicazioni indicano una straordinaria tenacità e resistenza.

I materiali ad alte prestazioni continuano a stabilire standard più elevati per la resistenza alla frattura. Il loro sviluppo può portare a progetti più sicuri ed efficienti in futuro.

Conclusione

I materiali con elevata tenacità alla frattura sono al centro della maggior parte delle applicazioni ingegneristiche. I metalli e le leghe sono i leader della tenacità grazie alla loro capacità di deformarsi leggermente quando sono sottoposti a carico, smussando le punte delle cricche prima della loro estensione. I materiali ceramici, pur essendo tradizionalmente fragili, stanno attualmente migliorando grazie a meccanismi di tempra, mentre i compositi offrono una tenacità direzionale e i materiali avanzati sono promettenti all'orizzonte. Ogni gruppo ha i suoi pregi e i suoi difetti. Per ulteriori confronti ed elenchi di materiali, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Domande frequenti

F: Cosa misura la tenacità alla frattura?

D: È una misura della quantità di energia che un materiale può sopportare prima di rompersi.

F: Perché i metalli sono utilizzati in applicazioni ad alta tenacità?

D: I metalli hanno la capacità di deformarsi all'estremità della cricca, inibendo la crescita della stessa.

F: Le ceramiche possono essere utilizzate in ambienti ad alta sollecitazione?

D: Sì, anche se utilizzano meccanismi come la tempra di trasformazione per aumentare la resistenza.