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Dalla frattura alla deformazione: in che modo la duttilità dei materiali influenza la progettazione ingegneristica?
Nella scienza dei materiali, la duttilità si riferisce alla capacità di un materiale di resistere a una significativa deformazione plastica prima di rompersi. Questa deformazione plastica è fondamentalmente diversa dalla deformazione elastica, che è permanente quando viene applicata la sollecitazione, mentre la deformazione elastica ritorna alla sua forma originale quando la sollecitazione viene rimossa. La duttilità è una proprietà meccanica critica in molte applicazioni che richiedono che i materiali si pieghino, si allunghino o si deformino in altro modo senza rompersi. Molte operazioni di ingegneria e produzione, soprattutto nella lavorazione dei metalli, hanno requisiti severi sulla duttilità dei materiali.
La duttilità è un fattore chiave per valutare se un materiale sopravviverà ai processi di formatura dei metalli come la forgiatura o la trafilatura.
In questo contesto, la duttilità viene spesso quantificata dall'allungamento alla frattura (%EL), un calcolo basato sulla variazione di lunghezza del materiale prima e dopo la frattura. Quanto più un materiale è duttile, tanto meglio può sopportare sollecitazioni e deformazioni. Al contrario, alcuni materiali, come la ghisa, presentano caratteristiche di rottura fragile.
I metalli sono generalmente considerati altamente malleabili a causa delle loro esclusive strutture di legame metallico. In questi materiali, gli elettroni di valenza sono in grado di muoversi liberamente, il che consente agli atomi metallici di scivolare sotto stress senza subire forti forze repulsive. Prendendo come esempio l'acciaio, la duttilità dell'acciaio cambia con la composizione della lega. All'aumentare del contenuto di carbonio, la duttilità dell'acciaio diminuisce.
Il metallo più malleabile è il platino e il metallo più malleabile è l'oro.
Nel complesso, la duttilità di un materiale influisce sulle sue prestazioni nelle applicazioni pratiche. I metalli più duttili possono assorbire più energia quando colpiti, evitando così il rischio di fratture fragili. Pertanto, come selezionare i materiali appropriati per la progettazione ingegneristica è una sfida complessa. In particolare quando raffreddati al di sotto della temperatura di transizione fragile (DBTT), molti materiali diventano rapidamente fragili. Ciò evidenzia l'importanza del DBTT.
Il DBTT non è solo una considerazione importante nella progettazione di prodotti metallici portanti, ma dipende anche dalle caratteristiche del materiale stesso e dal tipo di struttura. I metalli con una struttura cubica a facce centrate rimangono duttili in un ampio intervallo di temperature, mentre i metalli con una struttura cubica a corpo centrato mostrano duttilità solo ad alte temperature.
Il DSD è una base importante per selezionare i materiali in grado di resistere alle sollecitazioni meccaniche.
Nelle applicazioni pratiche, la misurazione e le prestazioni della duttilità sono influenzate anche da molti fattori esterni. Ad esempio, la radiazione di neutroni può aumentare i difetti reticolari interni, aumentando così il DBTT del materiale. Ciò significa che gli ingegneri devono considerare molteplici fattori durante la progettazione e la selezione dei materiali, tra cui la microstruttura del materiale, l’ambiente esterno e l’aspettativa di vita.
Data la crescente domanda tecnica, esplorare come i materiali possano ancora mantenere un certo grado di duttilità quando sopportano danni meccanici è diventato un argomento importante nella ricerca attuale. La duttilità di un materiale potrebbe determinarne la gamma di applicazioni nei futuri progetti ingegneristici? Ciò significa che dobbiamo ripensare la selezione dei materiali e le strategie di applicazione?
