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Incrudimento: come migliorano le prestazioni dei materiali?

L'effetto dell'incrudimento può migliorare incredibilmente le prestazioni dei materiali, vediamo insieme come funziona.

Categorie Chimica · Fisica · Scienza
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In un precedente lavoro abbiamo visto come si comportano i materiali metallici quando vengono deformati. In generale, abbiamo un’evoluzione abbastanza lineare fino al punto di snervamento e da questo punto in poi subentra il comportamento plastico. Questo comportamento può essere sfruttato per migliorare le prestazioni del materiale in termini di resistenza attraverso un particolare fenomeno metallurgico, l’incrudimento.

Incrudimento

Cosa c’è alla base del fenomeno?

Come abbiamo visto, i materiali sono composti da atomi disposti secondo un reticolo cristallino più o meno regolare. Fino al punto di snervamento, il reticolo il reticolo viene semplicemente allungato, ma le forze interatomiche continuano a tenerlo unito. Oltre il punto di snervamento, almeno per i materiali metallici, alcune irregolarità nel reticolo (le dislocazioni) permettono al materiale di scorrere dando vita al comportamento plastico. Durante lo scorrimento del materiale nel campo plastico, ciò che succede è che le dislocazioni presenti all’interno del reticolo si muovono, come mostrato in figura.

Incrudimento

Mentre una dislocazione si muove è frequente che incontri lungo il suo percorso le cosiddette sorgenti, che sono delle zone del reticolo in grado, quando vengono attraversate da dislocazioni, di generarne altre. In sostanza, il materiale deformato plasticamente avrà numericamente più dislocazioni rispetto al materiale originario. Ciò che però va considerato è che, sebbene un numero ridotto di dislocazioni permette che lo scorrimento del materiale avvenga, quando le dislocazioni aumentano in numero si comportano come un ostacolo per lo scorrimento del materiale.

Infatti, guardando il grafico all’inizio, si nota che la tensione continua ad aumentare continuando a deformare il materiale oltre il punto di snervamento. Anche intuitivamente possiamo immaginare che se lo scorrimento del materiale viene ostacolato, sarà necessaria una maggiore forza (e di conseguenza una maggiore tensione) per deformarlo. Questo fenomeno è detto incrudimento.

Gli effetti dell’incrudimento.

Ora che sappiamo a cosa è dovuto il fenomeno dell’incrudimento, andiamo a vedere come possiamo sfruttarlo per migliorare la resistenza del materiale che stiamo considerando. Se prendiamo poniamo una barra in trazione e la deformiamo fino a superare il limite elastico e la rilasciamo prima che avvenga la rottura del materiale possiamo notare che solo una parte delle deformazioni viene recuperata. In sostanza, una parte della barra (che non è stata deformata plasticamente) cercherà di recuperare la forma originale, mentre la rimanente parte della barra resterà deformata. Avremo quindi una barra più lunga con un numero maggiore di dislocazioni al suo interno. È interessante notare che nel grafico, quando avviene il rilascio del carico, lo scarico mostra la stessa pendenza del tratto elastico.

Incrudimento

Se ora prendiamo la stessa barra e la rimettiamo in trazione, ciò che succede è che per poter avere di nuovo il comportamento plastico sarà necessario portare in trazione la barra fino al punto in cui precedentemente abbiamo effettuato il rilascio del carico. Ciò che abbiamo ottenuto, è che la barra ha un nuovo punto di snervamento, che è più in alto rispetto al precedente. Pertanto, la nuova barra resisterà a una forza di trazione molto maggiore prima di iniziare a comportarsi plasticamente. C’è sempre da tenere in considerazione che un materiale incrudito avrà un tratto plastico più corto, pertanto quanto più un materiale sarà incrudito, tanto più tenderà a comportarsi come un materiale fragile, quindi la sua rottura tenderà ad essere più improvvisa.

Incrudimento

Come l’incrudimento migliora le prestazioni del materiale

Molti processi industriali si basano su questo fenomeno per migliorare le prestazioni del materiale. Ad esempio, la pallinatura è un processo in cui una serie di proiettili (le palline appunto) vengono proiettati contro un corpo metallico ad altissima velocità, causando un incrudimento localizzato nella zona di impatto. Un altro esempio è il ricalcamento o burnishing, dove un utensile (fisso o rotolante) viene passato su una superficie per indurre deformazioni plastiche e nel contempo ridurne la rugosità. Allo stesso modo, anche le operazioni di asportazione di materiale lasciano una superficie incrudita dopo il passaggio dell’utensile.

Infine, alcuni processi detti di “deformazioni plastiche severe” (Severe Plastic Deformations o SPD) forzano all’estremo questo fenomeno imponendo deformazioni intense ed estese, a differenza degli altri che si focalizzano sull’incrudimento della sola superficie del materiale. Un esempio di questi processi è la cosiddetta “Estrusione Angolare a Canale Uguale” (Equal Channel Angular Pressure o ECAP). In questo processo si usa una matrice con ingresso e uscita del materiale con la stessa forma posti ad un certo angolo tra di loro.

In questo caso le deformazioni che il materiale subisce sono estremamente intense, tuttavia questo preserva all’incirca la forma che aveva all’inizio, in questo modo si ottiene un prodotto finito con geometria simile a quello di partenza ma con resistenza allo snervamento che può arrivare anche a un valore due/tre volte maggiore, a seconda del materiale di partenza che viene scelto.

Equal Channel Angular Pressure
Credits: A. Gupta, B. Chandrasekhar, K. K. Saxena, Effect of Equal-channel angular pressing on mechanical Properties: An overview, Materials Today: Proceedings 45 (2021) 5602–5607

FONTI VERIFICATE

  • Jones Ashby, Engineering Materials 1 4e (2012)