Comportamento a temperatura elevata

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.
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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
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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