APPROFONDIMENTO
Nozioni sulla deformazione plastica dei materiali
Per parlare della deformazione plastica, dobbiamo prima affrontare la differenza tra deformazione elastica e plastica di un materiale.
La deformazione elastica si ha quando, una volta cessata l’azione di carico su un materiale, questo riprende la sua dimensione originale.
Nella deformazione plastica invece, pur cessando l’azione di carico su un materiale, questo non riesce più a tornare alla forma iniziale, cioè quando si ha una deformazione permanente.
Il limite elastico, nello specifico, è la tensione alla quale ha inizio la deformazione permanente.
La deformazione plastica può avvenire quindi solo se si supera il limite elastico di un materiale.
Essa avviene su tutti gli assi ed è sempre a volume costante.
Possiamo distinguere generalmente tre tipi di deformazione plastica:
Deformazione di allungamento
Deformazione di schiacciamento
Deformazione di allargamento
Essendo tale deformazione sempre a volume costante, la somma dei tre tipi di deformazione sarà dunque sempre a volume costante.
La deformazione plastica nei metalli è notevolmente influenzata dal reticolo dei cristalli, in particolare, nei metalli che presentano una struttura cubica a facce centrate (nichel, alluminio, rame, piombo, oro, platino e argento) tale deformazione è molto avvantaggiata.
Una delle peculiarità di tale struttura infatti è la presenza di piani di massima densità (piani di atomi in cui ogni atomo considerato è tangente ad altri 6 atomi).
Superato il limite elastico il materiale si deforma in modo permanente, per scorrimento dei piani di atomi, l’uno rispetto all’altro. Questo scorrimento non avviene in modo casuale, ma, di preferenza secondo i piani di maggior densità atomica e su questi nelle direzioni di maggior densità. La combinazione di una direzione e di un piano di scorrimento si chiama “sistema di scorrimento”.
Se si valuta lo sforzo necessario per produrre in un cristallo lo scorrimento di un piano di atomi rispetto ad un altro (scorrimento simultaneo), si ottengono valori molto elevati, ordini di grandezza maggiori di quelli riscontrati sperimentalmente. Questo è dovuto alla presenza di dislocazioni, ossia di difetti estesi nella struttura che amplificano notevolmente la capacità di scorrimento dei piani.
Per conferire una deformazione plastica omogenea e priva di difetti, è necessario effettuare questa deformazione ad una temperatura ottimale, con il giusto formato.
In particolare, per le leghe metalliche, è preferibile utilizzare barre laminate che garantiscono minor cavità interne.
Una temperatura adeguata invece è funzionale per deformare notevolmente il materiale con minor sforzo e minor pericolo di rottura e di snervamento. Infatti, la conoscenza del punto di snervamento di un materiale è di fondamentale importanza nel progetto di un componente o di un manufatto, in quanto esso generalmente segna il valore limite del carico a cui il componente può resistere.
Il valore della tensione di snervamento dipende sia dalla velocità di deformazione che, più significativamente, dalla temperatura alla quale avviene la deformazione.
Infatti, in particolari condizioni di temperatura e di velocità di deformazione si riesce a raggiungere una zona chiamata superplastica: una condizione particolare in cui gli allungamenti a rottura si modificano notevolmente, permettendo deformazioni impensabili in altre condizioni fisiche.
Tale conoscenza è fondamentale per il controllo di molte tecniche di produzione come la forgiatura, la laminazione e lo stampaggio.
Tra le varie lavorazioni, la tecnica dello stampaggio garantisce proprietà meccaniche migliori rispetto ad altri procedimenti come la fusione o la lavorazione per asportazione di trucioli.
Questo è dovuto principalmente alla disposizione delle fibre nel materiale. Infatti le fibre del materiale vengono deformate seguendo il flusso plastico del materiale e non interrotte, come avviene per esempio nell’asportazione di truciolo, con evidenti vantaggi per la resistenza meccanica e la rottura a fatica degli elementi.
Le fibre di fatto “aiutano” il componente a resistere meglio alle tensioni cui è sottoposto.
Un altro aspetto che migliora le caratteristiche meccaniche degli elementi sottoposti a questa lavorazione è la compattazione molecolare dovuta proprio nel metodo di fabbricazione.
Tra le deformazioni a caldo invece, in cui si verifica questa deformazione fibrosa, vi sono delle differenze dovute al procedimento di fabbricazione.
La scelta della tipologia di lavorazione a caldo più idonea deve essere effettuata durante la fase di progettazione del pezzo.
Mentre tramite la fucinatura si riesce ad ottenere solo maggiore resistenza meccanica e minore peso del pezzo a parità di resistenza, con lo stampaggio a caldo si hanno anche i seguenti vantaggi:
Tramite l’operazione di stampaggio a caldo si ottiene quindi una forte riduzione dei costi di produzione oltre che a caratteristiche meccaniche nettamente superiori.