Caratterizzazione meccanica dei materiali ceramici mediante analisi inversa ed indentazione

L’utilizzo di materiali ceramici, precedentemente limitato ad impieghi particolari quali l'uso ad alte temperature, è notevolmente incrementato negli ultimi anni diffondendosi anche negli ambiti meccanici e strutturali.
Lo sviluppo di tecniche innovative ha consentito, infatti, la produzione di ceramici che, pur conservando le loro caratteristiche peculiari di buona resistenza all’usura e di stabilità alle alte temperature, presentano buone proprietà meccaniche (brevemente discusse nella sezione seguente).
Il crescente interesse industriale riguardo all’utilizzo dei ceramici come materiali strutturali ha spinto verso la ricerca di metodi per la loro caratterizzazione meccanica.
I metodi classici, come le prove di flessione e di trazione, normalmente utilizzati per la stima delle proprietà meccaniche dei materiali metallici, presentano vari inconvenienti per la caratterizzazione dei materiali ceramici, la cui fragilità crea problemi d’instabilità durante la prova e ne rende difficile l’interpretazione dei risultati. Attualmente la caratterizzazione avviene prevalentemente mediante test a flessione su provini di geometrie particolari, ma è tuttora oggetto di dibattito la ricerca di un metodo che garantisca stime ripetibili ed affidabili soprattutto dei valori della tenacità di questi
materiali.
Un nuovo metodo che sta prepotentemente prendendo piede nel campo della caratterizzazione meccanica è basato su prove di indentazione a varie scale.
Lo sviluppo di indentatori strumentati che permettono la costruzione di curve carico-affondamento ha permesso, infatti, di sfruttare tali prove, comunemente utilizzate per la sola valutazione della durezza, anche per la stima di modulo elastico e tenacità.
L’indentazione ha l’indiscusso vantaggio di essere una prova particolarmente rapida ed economica e di non essere distruttiva, potendo quindi essere utilizzata su pezzi finiti.
Questo determina il crescente interesse verso questo tipo di prove.
La forte crescita nel campo informatico, che rende disponibili calcolatori sempre più potenti e software sempre più versatili, ha contribuito ad affiancare alle prove tradizionali di laboratorio delle analisi numeriche che permettono di simulare le risposte del materiale a determinate sollecitazioni.
Questo ha reso possibile la nascita di una metodologia di caratterizzazione dei materiali basata sul confronto tra i dati ricavati in una prova reale e quelli calcolati in una simulazione.
Questa tecnica, denominata analisi inversa, viene sempre più spesso affiancata alle prove sperimentali garantendo un miglioramento delle stime delle grandezze normalmente calcolate e la possibilità della valutazione di altri parametri non ricavabili direttamente per via sperimentale.
Presso il Dipartimento di Ingegneria Strutturale del Politecnico di Milano, sotto la guida del prof. G. Maier e della prof. G. Bolzon, si stanno sviluppando delle tecniche di caratterizzazione dei materiali tramite analisi inversa basate sull’utilizzo di dati derivanti da prove di indentazione e dalla scansione delle impronte residue tramite microscopio a forza atomica.

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