Comportamento a temperatura elevata
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Comportamento a temperatura elevata Comportamento a temperatura elevata F. Iacoviello Università di Cassino- Di.M.S.A.T. Via G. di Biasio 43, 03043 Cassino (FR) Tel. 07762993681 Fax. 07762993733 E-mail: [email protected] Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Instabilità metallurgiche Sollecitazione, tempo, temperatura ed ambiente possono modificare la situazione metallurgica, sia diminuendo che incrementando la resistenza. Una evidente modifica della pendenza della curva log σ – vita a rottura può essere riferito ad una instabilità metallurgica. Fonti di instabilità possono includere: • Transizione frattura transgranulare – intergranulare; • Ricristallizzazione; • Invecchiamento e sovrainvecchiamento; • Precipitazione di fasi; • Decomposizione di carburi, boruri o nitruri; • Precipitazione di fasi intermetalliche; • Transizione ordine-disordine; • Ossidazione generalizzata; • Corrosione intergranulare; • Corrosione sotto sforzo. Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Transizione frattura transgranulare - intergranulare Questa transizione avviene in quanto in quanto le proprietà del bordo grano differiscono da quelle del cuore del grano. Per temperature più basse i bordi grano sono più resistenti dei grani; a temperature più elevate i bordi grano divengono più deboli e la frattura diviene intergranulare. Per ogni combinazione di sollecitazione e di vita a rottura esiste una temperatura al di sopra della quale la frattura diviene intergranulare (punti A e B figura sottostante). In certe condizioni, una frattura può essere in parte trans- ed in parte intergranulare. Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Invecchiamento e sovrainvecchiamento Le leghe “invecchiabili” (ad esempio leghe di Al) sono instabili. Strutturalmente esse si trovano in uno stato di transizione verso uno stato stabile di equilibrio. Conseguentemente, nelle condizioni di scorrimento viscoso, è probabile che la diffusione degli atomi, incrementata dalla temperatura e dalla sollecitazione, implichi una riattivazione del processo di invecchiamento, con una conseguente riduzione della resistenza meccanica. Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Invecchiamento e sovrainvecchiamento Precipitazione di fasi intermetalliche Nelle leghe a reticolo cubico facce centrate (ad esempio acciai inossidbaili austenitici) si può avere la precipitazioni a bordo grano di fasi intermetalliche (ad esempio σ) Evoluzione delle proprietà meccaniche con la temperatura di rinvenimento per un acciaio inossidabile austeno-ferritico 22 Cr 5 Ni (tempo = 3 ore) Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Ossidazione a caldo Un metallo M reagisce con ossigeno o con altri gas ad elevata temperatura mediante un iniziale adsorbimento di ossigeno, reazioni chimiche a formare la superficie dell’ossido, la nucleazione dell’ossido, la sua crescita laterale a formare un film continuo (fino ad essere protettivo, oppure ispessendosi a formare uno strato non protettivo contenente vari difetti quali cavità, microcricche etc.). L’ossidazione in aria procede secondo una reazione del tipo: M + O2 → MO2 Oppure più genericamente xM + ½ (yO2) → MxOy Considerando una singola mole di O2: (2x/y)M + O2 → (2/y) MxOy Un metallo può essere anche ossidato da vapore acqueo o da CO2 secondo le relazioni: xM + y H2O → MxOy + yH2 xM + y CO2 → MxOy + yCO Francesco Iacoviello Adsorbimento Nucleazione dell’ossido + Dissoluzione ossigeno Crescita del film Ossidazione interna Cavità Porosità Microcricche Macrocricche Possibile formazione di ossidi fusi, evaporazione ossido Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Ossidazione a caldo Ognuna delle reazioni precedentemente illustrate è caratterizzata termodinamicamente da una variazione di energia libera ΔG0, che sarà negativa in modo che le reazioni descritte procedano spontaneamente verso destra. Considerando la: (2x/y)M + O2 → (2/y) MxOy Si può esprimere l’energia libera in condizioni non standard: Considerando che l’attività di un solido stabile è unitaria per definizione, ne consegue che: Questa equazione definisce la relazione esistente fra la variazione dell’energia libera in condizioni standard per la formazione dell’ossido MO e la pressione parziale di dissociazione di tale ossido ad una determinata temperatura T. In condizioni non standard, la pressione parziale di dissociazione può essere ottnuta utilizzando il nomogramma (diagramma di Ellingham). Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Ossidazione a caldo Si prenda come esempio l’ossidazione del rame a 900°C. Considerando il punto che si trova sulla retta del Rame (in corrispondenza di 900°C), Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Ossidazione a caldo Si prenda come esempio l’ossidazione del rame a 900°C. Considerando il punto che si trova sulla retta del Rame (in corrispondenza di 900°C), si consideri la retta passante per il punto O (asse verticale dell’energia libera standard), Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Ossidazione a caldo Si prenda come esempio l’ossidazione del rame a 900°C. Considerando il punto che si trova sulla retta del Rame (in corrispondenza di 900°C), si consideri la retta passante per il punto O (asse verticale dell’energia libera standard), e la si prolunghi verso destra fino ad intersecare la verticale della pressione parziale dell’ossigeno, ottenendo un valore di circa 10-8 atmosfere. Qualunque pressione parziale dell’ossigeno superiore a tale valore implicherà l’ossidazione del rame. Per qualunque valore inferiore, l’ossido di rame si ridurrà in rame puro. Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Ossidazione a caldo Previsioni simili possono essere ottenute dal medesimo diagramma anche da miscele di vapore acqueo ed idrogeno (partendo dal punto H) oppure di CO e CO2. (partendo dal punto C). L’intersezione fra la retta passante per H, oppure C, ed il punto che si trova sulla retta del Rame (in corrispondenza di 900°C), con la verticale rispettivamente dell’equilibrio H2/H2O, oppure CO/CO2, permette di ottenere dei valori limiti dei suddetti rapporti. Per valori più elevati l’ossido si ridurrà in metallo, mentre per valori più bassi il metallo si ossiderà. Il diagramma di Ellingham e quello di Pourbaix hanno un identico limite: non permettono di prevedere le velocità di corrosione. Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Ossidazione a caldo La velocità di ossidazione di una lega è minima nel caso in cui l’ossido presenti una combinazione di proprietà favorevoli, fra le quali: • Buona aderenza; • Punto di fusione elevato; • Bassa pressione di vapore; • Essere caratterizzato da una dilatazione termica simile a quella del metallo base; • Una elevata plasticità a caldo; • Una bassa conduttività elettrica e bassi coefficienti di diffusione per ioni ed ossigeno. Tre cinetiche (parabolica, lineare, logaritmica) descrivono l’andamento delle velocità di ossidazione Fe FeO Fe3O4 Fe2O3 per i metalli e le leghe più utilizzati. L’analisi delle cinetiche può essere complicata dalla possibilità, per il metallo, di formare più ossidi. Parabolica x2 = kp t kp = k0 e –Q/RT Logaritmica dx/dt = ke/t x = ke log(at+1) Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Ossidazione a caldo Molte leghe progettate per resistere all’ossidazione a caldo contengono Cromo. Fino al 20 % di cromo, la velocità di ossidazione diminuisce rapidamente. L’importanza degli ossidi di Cr aumenta fino a predominare nel film di ossido. Comportamento analogo si ha nelle leghe di Ni e Co. Acciai inossidabili ferritici (serie 400) sono accettabili per molte applicazioni, sebbene la loro resistenza al creep sia bassa. Anche gli acciai inossidabili duplex hanno lo stesso problema. L’aggiunta di Ni, insieme alla presenza del Cr, negli acciai inossidabili incrementa la resistenza all’ossidazione a caldo. Il Si (fino al 2-3%) forma dei film aderenti sia da solo, che insieme al Cr. L’Al forma anch’esso degli ossidi protettivi, ma con una velocità inferiore al Cr. Inoltre esso forma con il Fe delle fasi intermetalliche fragili. Mo, W, Nb offrono un leggero incremento nella resistenza all’ossidazione a caldo, ma sono comunque spesso aggiunti per l’incremento delle proprietà meccaniche ad elevata temperatura. Francesco Iacoviello 1000°C Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Ossidazione a caldo Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata A temperatura elevata, anche in un ambiente non aggressivo, la durata di un componente metallico sottoposto a sollecitazione (sia statica che dinamica) è limitata. La sollecitazione applicata impone sul componente una deformazione continua che prende il nome di scorrimento viscoso (creep). Tale deformazione può evolvere fino alla rottura del componente. Le condizioni di temperatura, sollecitazione e tempo per le quali si ha il creep (ed eventualmente la rottura) dipendono dal metallo o dalla lega, dalla sua microstruttura e dall’ambiente di esercizio. In generale, lo scorrimento viscoso avviene ad una temperatura leggermente al di sopra della temperatura di ricristallizzazione. Al di sopra di tale temperatura, infatti, gli atomi divengono sufficientemente mobili. La temperatura critica al di sopra della quale il comportamento del metallo è influenzato dalla temperatura dipende dall’elemento base, ed è legata alla temperatura di fusione: Leghe di Al T[K] > 0.54 Tf [K] (205°C) Leghe di Ti T[K] > 0.3 Tf [K] (315°C) Acciai basso legati T[K] > 0.36 Tf [K] (370°C) Acciai austenitici T[K] > 0.49 Tf [K] (540°C) Leghe di Ni o Co T[K] > 0.56 Tf [K] (650°C) Leghe a base di metalli refrattari T[K] > 0.45 Tf [K] (fino a 1540°C) Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Le principali modalità di danneggiamento ad elevata temperatura sono: • Scorrimento viscoso ; • Fatica oligociclica e ad elevato numero di cicli; • Fatica termica; • Sovrasollecitazioni oppure possono essere una combinazione di queste modalità, con l’aggiunta dell’intervento dell’ambiente. Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Scorrimento viscoso E’ un fenomeno di deformazione continuamente crescente nel tempo, con il carico che resta costante nel tempo. I meccanismi principali sono legati ai processi di incrudimento e di ricristallizzazione: Struttura migliore Temperatura crescente • Slittamento piani cristallografici (movimento dislocazioni) • Formazione sottograni • Scorrimento del bordo dei grani Si definisce temperatura omologa di un metallo To il rapporto fra la temperatura a cui si trova il metallo e la sua temperatura di fusione, entrambe espresse in K. Lo scorrimento viscoso inizia ad attivarsi per To superiori a 0.4 ÷ 0.5 Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata T = costante σ = costante Equilibrio dei processi di incrudimento e di recristallizzazione Francesco Iacoviello Formazione microfessure per deformazione localizzata ai bordi grano Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Tutti gli ostacoli alla restaurazione favoriscono la tenuta allo scorrimento viscoso: - struttura cristallina compatta (EC oppure CFC); - presenza di precipitati stabili termicamente; - dato che la rottura avviene essenzialmente per decoesione intergranulare, la presenza dei bordi grano è negativa; da questa considerazione ha origine lo sviluppo di metalli a solidificazione orientata o monocristallini. Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Curve di scorrimento viscoso per un acciaio al C a 800°C Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Tempo (h) Scorrimento viscoso per un acciaio austenitico a sforzo costante ed a sollecitazione unitaria costante Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Scorrimento viscoso e recupero delle deformazioni a trazione del Pb a temperatura ambiente Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Recupero a trazione di un acciaio al Cr-Mo Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Diagramma σ – ε – t (sollecitazione unitaria, deformazione unitaria, tempo) per lo scorrimento viscoso Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Rilassamento (ovvero variazione dello sforzo nel tempo per una deformazione unitaria imposta costante) per un acciaio al Cr. Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Leggi costitutive dello scorrimento viscoso ε0 (deformazione iniziale): si manifesta nell’istante in cui la s raggiunge il valore prefissato, ed è composta da una componente elastica (ε0e) ed una plastica (ε0p). In campo elastico può essere presa pari a σ/E(T), altrimenti è superiore. εs (deformazione primaria o stazionaria): è considerabile come una deformazione iniziale permanente (Odqvist) pari a E’ possibile anche definire una legge fenomenologica che leghi ε-σ-t εt (deformazione secondaria o transitoria): Norton (1929) Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Leggi costitutive dello scorrimento viscoso Sommando i contributi dei vari termini di deformazione si ottiene la legge costitutiva del materiale soggetto a scorrimento viscoso. Numerose sono le leggi costitutive che permettono di legare i vari parametri fisici e meccanici. Fra queste si possono ricordare: Per tempi lunghi: Oppure, per σ costante, può essere considerata soddisfacente la relazione (Odqvist): Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata I dati di rottura possono essere rappresentati in vario modo: Acciaio legato Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata I dati di rottura possono essere rappresentati in vario modo: Acciaio legato Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata I dati di rottura possono essere rappresentati in vario modo: Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata I dati di rottura possono essere rappresentati in vario modo: Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata I dati di rottura possono essere rappresentati in vario modo: Nimonic Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Verifiche Alle deformazioni ε(t) < εlim • Basata sulla conoscenza della legge costitutiva o della mappa di deformazione; • Basata sulla conoscenza di alcuni dati del materiale (quindi mediante estrapolazioni e metodi parametrici); Francesco Iacoviello A rottura σ < σR(T,t) • Basata sulla conoscenza delle mappe di rottura; • Basata sulla conoscenza di alcuni dati del materiale Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Verifica alle deformazioni basata sulla conoscenza della legge costitutiva Se si conosce la legge costitutiva per condizioni confrontabili a quelle di esercizio (σ1, T1, t1), si calcola il valore della deformazione accumulata integrando, ad esempio, la relazione: Si verifica che ε1 < εlim e si determina il coefficiente di sicurezza Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Verifica alle deformazioni conoscendo la mappa delle deformazioni (o di “Ashby”) Le dislocazioni si muovono soprattutto per scorrimento Diffusione reticolare Le dislocazioni si muovono soprattutto per salto Diffusione nel nocciolo Si entra nella mappa in corrispondenza del punto di interesse e si determina la velocità di deformazione. Si moltiplica questo valore per il tempo e si calcola la deformazione accumulata Diffusione lungo i bordi Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Verifica basata sulla conoscenza di dati relativi al materiale Se si hanno a disposizione le curve isocrone (figura a sinistra) o le curve di uguale deformazione (figura a destra), la determinazione della deformazione accumulata è immediata e la verifica si esegue come nei casi precedenti Verifica basata sulla conoscenza di dati tabellati relativi al materiale A volte si hanno a disposizione alcuni dati relativi alla sollecitazione unitaria che realizza una determinata deformazione unitaria in un certo tempo ad una determinata temperatura (sotto forma di tabelle o di grafici). In tal caso si interpolano i valori a disposizione Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Verifica basata sulla conoscenza di alcuni dati del materiale mediante metodi parametrici Si utilizzano dei diagrammi particolari (nomogrammi) che sono costruiti partendo dall’ipotesi che, definendo un opportuno parametro, funzione di T e di t (Temperatura e tempo), sia possibile descrivere tutte le curve (σ, T, t) in una unica curva detta di riferimento. Perché ciò sia possibile, deve essere rispettata la condizione che i meccanismi di danneggiamento non mutino al variare delle condizioni operative. Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Verifica basata sulla conoscenza di alcuni dati del materiale mediante metodi parametrici Esplicitando la relazione si ottiene: Passando ai logaritmi: ovvero, nel diagramma , un fascio di rette proprio Ipotizzando che A non dipenda da σ, e che ΔH (energia di attivazione del processo) dipenda esclusivamente da σ, si ottiene il parametro di Larson-Miller (PLM): Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Verifica a rottura utilizzando la mappa di “Ashby” a rottura Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Verifica a rottura basata sulla conoscenza di alcuni dati tabellati del materiale Se si hanno a disposizione alcuni dati a rottura per alcune sollecitazioni, in un certo tempo ad una determinata temperatura (sotto forma di tabelle o di grafici), si può procedere interpolando. Verifica a rottura basata sull’impiego del Parametro di Larson Miller Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Fatica ad elevata temperatura La resistenza a fatica dei metalli e delle leghe è normalmente presentata sotto forma di curve S-N in cui vengono correlate le sollecitazioni con il numero di cicli a rottura. L’effetto della temperatura è notevole. La resistenza a fatica diminuisce con l’aumentare della temperatura, ma la quantificazione di tale diminuzione dipende dalla lega e dalla temperatura. Nel caso in cui si abbia la sovrapposizione di un carico statico e di una vibrazione (ad alta temperatura), il comportamento risulterà complesso, e comunque peggiore rispetto alla semplice resistenza allo scorrimento viscoso (ovvero con carico applicato staticamente). Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a temperatura elevata Fatica termica Le vibrazioni meccaniche non sono la sola fonte di sollecitazioni cicliche. Gradienti termici variabili possono indurre deformazioni plastiche e, se ciclici, la conseguente deformazione ciclica può indurre la rottura del componente. In riscaldamento Francesco Iacoviello In raffreddamento Università di Cassino Comportamento a bassa temperatura Comportamento a bassa temperatura F. Iacoviello Università di Cassino- Di.M.S.A.T. Via G. di Biasio 43, 03043 Cassino (FR) Tel. 07762993681 Fax. 07762993733 E-mail: [email protected] Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a bassa temperatura Prova di resilienza Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a bassa temperatura Prova di resilienza Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a bassa temperatura Differenti morfologie di frattura possono essere visibili all’analisi al microscopio elettronico a scansione in funzione dei micormeccanismi prevalenti di frattura durante la prova di resilienza. Nel caso di frattura duttile uno dei meccanismi più frequenti è quello della coalescenza dei microvuoti, mentre nel caso di frattura fragile (ad esempio nel caso di metalli con reticoli cubico corpo centrato) la morfologia più frequente è quella del clivaggio. Coalescenza di microvuoti Francesco Iacoviello Clivaggio Università di Cassino Comportamento a bassa temperatura Acciaio basso tenore di C Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a bassa temperatura Acciaio alto tenore di C Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a bassa temperatura Acciaio inossidabile austenitico Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a bassa temperatura Ottone incrudito Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a bassa temperatura Alluminio Francesco Iacoviello Università di Cassino Comportamento a bassa temperatura Rame Francesco Iacoviello Università di Cassino Resistenza alle radiazioni Resistenza alle radiazioni F. Iacoviello Università di Cassino- Di.M.S.A.T. Via G. di Biasio 43, 03043 Cassino (FR) Tel. 07762993681 Fax. 07762993733 E-mail: [email protected] Francesco Iacoviello Università di Cassino Resistenza alle radiazioni Le radiazioni di cui ci si occuperà in questa parte del corso comprenderanno sia particelle cariche (elettroni, protoni, particelle alfa e frammenti di fissione) che radiazioni elettricamente neutre, che includono fotoni (raggi γ e X) e neutroni. Alcune caratteristiche sono riassunte nella tabella sottostante. Francesco Iacoviello Università di Cassino Resistenza alle radiazioni Per la stessa energia cinetica, le particelle più pesanti sono più lente, si fermano più facilmente e depositano la loro intera energia in una distanza più breve Francesco Iacoviello Università di Cassino Resistenza alle radiazioni Il comportamento delle particelle cariche (α, β, p) attraverso la materia è fondamentalmente differente da quello delle radiazioni neutre (n, γ, X). In particolare, le particelle cariche interagiscono fortemente con gli elettroni orbitali degli atomi del materiale all’interno del quale si muove la particella. La tipologia delle interazioni fra le particelle cariche ed un materiale dipende dalla loro massa. Particelle cariche pesanti (α e protoni): una particella pesante in movimento inizialmente perde energia per piccole quantità per le interazioni con gli elettroni del materiale attraverso il quale sta passando; quando la particella ha perso abbastanza energia da non poter più eccitare un elettrone, essa allora perderà energia mediante collisioni nucleari. Quando la particella ulteriormente rallenta, cattura elettroni in modo da diventare un atomo neutro (un protone diviene idrogeno, una particella alfa diviene un atomo di elio). Le particelle cariche pesanti rallentano in modo continuo e lungo un percorso rettilineo. Particelle cariche leggere (β): quando un elettrone passa attraverso la materia sono possibili quattro processi • Ionizzazione, con una perdita di energia comparabile a quella delle particelle cariche pesanti; • Eccitazione nucleare (solitamente trascurabile); • Bremsstrahlung, ovvero la generazione di raggi X per collisioni elastiche delle particelle beta con gli elettroni del materiale attraversato; • Diffusione elastica per interazioni nucleari ed elettroniche; tale meccanismo diventa piuttosto importante nelle particelle beta, implicando un percorso a zig-zag. Francesco Iacoviello Università di Cassino Resistenza alle radiazioni Le radiazioni non cariche possono direttamente liberare particelle ionizzanti o innescare una trasformazione nucleare. Le interazioni fondamentali dei neutroni sono la diffusione e l’assorbimento, che include sia la cattura che la fissione. La cattura dei neutroni spesso produce nuclei radioattivi, emettitori a loro volta di radiazioni. Le principali interazioni dei fotoni sono funzione della loro energia: • Effetto fotoelettrico (a bassa energia : E < 200 keV): in questo meccanismo la radiazione elettromagnetica trasferisce tuta la sua energia ad un elettrone orbitale del materiale attraversato, che abbandona l’atomo con una energia pari a quella della radiazione incidente, cui deve essere sottratta l’energia di legame con l’atomo (questo è il principale meccanismo di funzionamento delle celle solari); • Diffusione Compton (energie intermedie, 200 keV – 1,5 MeV): consiste in una diffusione elastica del fotone con un elettrone di un atomo del materiale attraversato, con conseguente sua eccitazione; il fotone diminuisce in energia e modifica la sua traiettoria; • Produzione di una coppia (alte energie, E > 1,5 MeV): il fotone scompare e si forma una coppia elettrone-positrone. Francesco Iacoviello Università di Cassino Resistenza alle radiazioni Gli effetti generali delle radiazioni sui materiali possono essere classificati in: • Produzione di impurezze, ovvero trasmutazione di nuclei in altri nuclei che possono anche essere radioattivi (da neutroni per fissione ed attivazione mediante cattura, oppure formazione di H ed He, rispettivamente da un protone da una particella α); • Spostamento di un atomo dalla sua normale posizione reticolare con formazione di vacanze ed interstiziali, oppure con interscambio di posizioni reticolari fra atomi differenti; • Ionizzazione, dovuto all’allontanamento di elettroni dagli atomi; • Notevole rilascio di energia in un piccolo volume che può comportare il riscaldamento del materiale Radiazione Impurezza prodotta Neutrone termico Direttamente dalle reazioni di assorbimento (principalmente neutroni termici); può portare ad altre radiazioni Neutrone veloce Frammento di fissione Alfa Diventano essi stessi delle impurezze L’He può causare problemi di pressurizzazione Spostamento atomi Ionizzazione Rilascio energia Indirettamente Indirettamente Questi ioni possono causare notevole ionizzazione con emissione β e γ Notevole rilascio di calore in un raggio molto breve Sì, può causarlo Sì Sì in un raggio molto breve Sì, indirettamente Spostamenti multipli per reazioni di diffusione; Protone L’H può causare problemi di pressurizzazione Sì Direttamente Beta n/a Qualche spostamento Direttamente Gamma n/a Rari spostamenti (per effetto Compton) Indirettamente Francesco Iacoviello Sì in un raggio breve Deposito localizzato di calore Riscaldamento γ su un lungo raggio Università di Cassino Resistenza alle radiazioni Spostamento atomico Nel caso in cui la particella carica attraversi un materiale, la sua energia si dissipa mediante eccitazione degli elettroni orbitali e mediante collisioni elastiche con i nuclei. Una collisione elastica può spostare un atomo dalla sua normale posizione reticolare. L’atomo spostato viene denominato interstiziale e la sua precedente posizione diviene una vacanza. Le particelle che possono produrre questo tipo di danneggiamento sono protoni (qualunque energia), elettroni (E> 150 keV) e neutroni Particella uscente Particella incidente Interstiziale Vacanza Una “coppia di Frenkel consistente in una vacanza ed in atomo interstiziale Francesco Iacoviello Università di Cassino Resistenza alle radiazioni Una singola particella incidente può causare una cascata di collisioni. Tali collisioni sono prodotte sia dalla particella pesante incidente (p, n, ioni) e dalle particelle secondarie. Vari difetti (vacanze, interstiziali, coppie di Frenkel, dislocazioni) sono prodotte lungo il percorso di queste particelle e sotto forma di grappoli (cluster) alla fine del percorso. La formazione di vacanze ed interstiziali implica un trasferimento dell’energia cinetica della particella all’energia potenziale depositata nel reticolo cristallino. Sia le vacanze che gli interstiziali, ma in particolar modo questi ultimi,sono sufficientemente mobili ad elevata temperatura e la ricottura facilita la loro ricombinazione. Ad elevata temperatura, l’ampiezza della vibrazione degli atomi nel reticolo cristallino aumenta, aumentando così la probabilità che un atomo interstiziale migri in una vacanza, annullando così di fatto entrambi i difetti. Francesco Iacoviello Università di Cassino Resistenza alle radiazioni Ionizzazione La ionizzazione è il processo di rimozione o di aggiunta di un elettrone ad un atomo, generando in tal modo uno ione (rispettivamente positivo o negativo). Un processo strettamente collegato è quello dell’eccitazione , nel quale il livello di energia di un elettrone è incrementato. In ogni caso l’energia necessaria all’eccitazione è inferiore a quella richiesta dalla ionizzazione. La tabella precedentemente riportata mostra che le radiazioni cariche elettricamente (α, β, p) possono ionizzare direttamente la materia, mentre le radiazioni neutre (n, γ) lo possono fare solo indirettamente. Il processo di ionizzazione comporta un differente livello di danneggiamento nel materiale, in funzione del legame. In ordine crescente di danneggiamento, si avrà che la ionizzazione comporta un danneggiamento crescente: • Legame metallico (meno sensibile): tale legame consiste in una struttura di ioni positivi legati da un “mare” di elettroni liberi di valenza. La radiazione ionizzante aumenta l’energia cinetica degli elettroni, che però rapidamente ritornano al loro normale livello energetico, con una temporanea produzione di calore; • Legame ionico: nel legame ionico alcuni elettroni sono trasferiti da un elemento ad un altro (esempio, NaCl), comportando una struttura tridimensionalmente ben ordinata. La radiazione comporta una temporanea ionizzazione degli atomi reticolari, che divengono rapidamente neutri; • Legame covalente (più sensibile): in questo legame alcuni elettroni più esterni sono messi in comune fra gli atomi della molecola (esempio H2O). Una radiazione con una sufficiente energia da superere quella del legame covalente, può spezzare il legame, con un sostanziale cambiamento della composizione chimica. Dato che il tessuto biologico è sostanzialmente costituito da legami covalenti, esso sarà in generale più suscettibile al danneggiamento da radiazioni dei componenti strutturali con legame metallico. Materiali isolanti, dielettrici, plastiche, lubrificanti e gomme sono solo alcuni dei materiali sensibili alle radiazioni ionizzanti: ad esempio la gomma irradiata tende ad indurire (ma alcune, fortemente irradiate, tendono a divenire liquide). Francesco Iacoviello Università di Cassino Resistenza alle radiazioni Effetti macroscopici delle radiazioni sui materiali Tutte le modifiche microstrutturali che sono state elencate modificano le proprietà meccaniche dei materiali (durezza, duttilità …). La tabella sottostante mostra gli effetti di un fascio di neutroni veloci su alcune classi di materiali Nei metalli le modifiche sono modeste, se comparate con altre classi di materiali. Gli effetti sono simili a quelli ottenuti mediante una lavorazione a freddo, con un aumento della durezza e della velocità di scorrimento viscoso ed una diminuzione delle conduttività elettriche e termiche. Nel caso di neutroni veloci (i più pericolosi) tutti gli acciai mostrano un aumento della durezza e della fragilità. Una ricottura può permettere di diminuire la durezza. Francesco Iacoviello Università di Cassino Criteri di scelta Criteri di scelta F. Iacoviello Università di Cassino- Di.M.S.A.T. Via G. di Biasio 43, 03043 Cassino (FR) Tel. 07762993681 Fax. 07762993733 E-mail: [email protected] Francesco Iacoviello Università di Cassino Criteri di scelta Il Titanic doveva affondare? Lunghezza : 269.07 metri Larghezza : 28.5 metri Francesco Iacoviello Università di Cassino Criteri di scelta La temperatura di esercizio ha influenzato le prestazioni dei panzer nella campagna di Russia durante seconda guerra mondiale? Francesco Iacoviello Università di Cassino Criteri di scelta Nella scelta del materiale più opportuno per una determinata applicazione intervengono numerosi fattori: Ambiente Sollecitazioni Francesco Iacoviello Lavorazioni Università di Cassino Criteri di scelta Ambiente Sollecitazioni Lavorazioni Le sollecitazioni, l’ambiente e le lavorazioni possono generare dei difetti oppure interagire con difetti già esistenti. Tali difetti possono evolvere nel tempo in modo “controllato” oppure catastrofico. Tali difetti vanno quindi: Rilevati Francesco Iacoviello Misurati Università di Cassino Criteri di scelta Ambiente Probabilità Sollecitazioni Francesco Iacoviello Lavorazioni Università di Cassino Criteri di scelta La sicurezza e l’affidabilità sono dei parametri estremamente importanti in industrie come l’aeronautica, petrolchimica, nucleare. Sicurezza ed affidabilità Criteri di progetto Economicità della scelta! Francesco Iacoviello Università di Cassino Criteri di scelta Ambiente Probabilità Sollecitazioni Lavorazioni Criteri di progetto SCELTA DEL MATERIALE Economicità della scelta Sicurezza ed affidabilità Francesco Iacoviello Università di Cassino Criteri di scelta Nella scelta del materiale per una determinata applicazione sono quindi numerosi i fattori che debbono essere presi in considerazione e l’obbiettivo della scelta di un materiale, solitamente, consiste nell’ottimizzare una serie di parametri, a loro volta scelti in base a considerazioni ingegneristiche ed economiche. Francesco Iacoviello Università di Cassino Criteri di scelta Esempio: Progettazione bicicletta da corsa σ=Eε ρ = massa/volume Specifiche di progetto: • Elevata rigidezza • Basso peso • Costo accettabile Francesco Iacoviello Università di Cassino Criteri di scelta Francesco Iacoviello Università di Cassino Costo (euro) Criteri di scelta Peso bicicletta (kg) Francesco Iacoviello Università di Cassino
