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Proprietà meccaniche
elasticità
r0
resistenza
• densità di legami chimici
• forza del legame
Anche le proprietà meccaniche dipendono sostanzialmente dai legami chimici
presenti nel materiale.
La curva che esprime la forza agente tra due atomi contiene le informazioni
fondamentali per l’elasticità e la resistenza a rottura.
In un solido formato da più atomi importanti saranno la forza del legame e la
densità dei legami.
Tanto più elevata è la pendenza della curva all’intersezione con l’asse delle
ascisse, tanto più elevato è il modulo elastico del materiale.
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Prove di durezza
P
profilo
impronta
La durezza di un materiale esprime la sua resistenza alla penetrazione di un
altro corpo.
Nei vetri (e nei ceramici) si misurano generalmente la durezza Vickers e quella
Knoop facendo uso di piramidi di diamante. Per la prima si usano carichi
superiori al Newton, per la seconda carichi inferiori ai 10 N.
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Proprietà meccaniche
Durezza
scala Mohs
diamante
10
zaffiro
9
topazio
8
Vetro sodico-calcico
quarzo
7
Vetro di silice
ortoclasio
6
apatite
5
fluorite
4
calcite
3
gesso
2
talco
1
H (GPa)
vetro float
acciaio
Vetro
Pyrex®
5.5
6
4.5
Vetro di GeO2
2.4
Vetro di As2Se3
1.3
alluminio
plastiche
La durezza di un materiale viene espressa in maniera semplice dalla scala di
Mohs.
L’andamento dei valori di durezza nei vetri segue quello della forza del legame
(e.g., Si-O più forte di Ge-O) e della densità dei legami (e.g., tridimensionali in
SiO2 e bidimensionali in B2O3)
3
Prove di flessione
b
h
d
I=
!f =
PL
4W
E=
P L3
48 I !
b h3 ! d 4
;
12 64
PD
PD
bh 2 ! d3
!f =
E=
3 L2 " 4 D 2
;
2W
48 I !
6
32
! = deflessione massima
W=
(
)
Modulo elastico (o di Young) e resistenza a rottura sono misurati generalmente
mediante prove di flessione. Questo perché sono difficilmente ottenibili
campioni per prove di trazione (vetro e ceramici non si lavorano con facilità
all’utensile!).
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Risonanza acustica
E=!
2 3
m fris
L
T1(h/L)
I
Norma ASTM C 1198-91
Il modulo elastico (sia longitudinale, E, che tangenziale, G,) può essere
misurato in maniera non distruttiva mediante la tecnica della risonanza
acustica. La misura è descritta dalla normativa ASTM: il campione (barretta a
sezione rettangolare o circolare per E, piasta per G) è sollecitato con una onda
sonora di frequenza crescente generata da un primo trasduttore mentre un
secondo trasduttore rileva il segnale in uscita e, in particolare, la frequenza di
risonanza. La frequenza di risonanza dipende dalle dimensioni del campione e
da alcune caratteristiche geometriche (T1 e !) oltre che, ovviamente, dal
modulo elastico.
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Modulo elastico
3D
2D
0.23-0.26
Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000
Anche il modulo elastico evolve nei vetri con la forza del legame e con la loro
densità.
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Resistenza a frattura
• stato della superficie
• ambiente di prova
• velocità di carico
Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000
La resistenza a frattura dei vetri dipende dallo stato superficiale, dall’ambiente
di prova, dalla velocità di applicazione del carico e dall’estensione del
campione.
La resistenza è limitata nei campioni sottoposti ad abrasione, più elevata in
quelli nei quali lo strato superficiale è stato rimosso per azione chimica con HF
(“etched”).
La resistenza cresce all’aumentare della velocità di applicazione del carico.
La resistenza cresce al diminuire della temperatura e del tenore di umidità.
Si può inoltre osservare che la resistenza risulta sempre molto dispersa.
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Carichi ammissibili
0.12
Carico unitario ammissibile, "adm (MPa)
Float
Temprato
Verticale
16
50
Orizzontale
10
35
6
25
Acquari o carichi permanenti
0.10
!
Posizione lastra
0.08
0.06
0.04
0
1
2
spessore totale (mm) = k 6 " q
a
# amm
2
3
4
5
b/a
k
q
!
Vetro float
b
1
Vetro armato
1.25
Vetro stratificato (2 lastre)
1.40
Vetro stratificato (4 lastre)
2.00
a
In alcuni manuali sono riportati i valori di carico ammissibile (resistenza
media divisa per un coefficiente di sicurezza superiore a 1) sopportabile da
lastre in vetro.
Le normative prevedono per il vetro sodico-calcico valori dello sforzo
ammissibile (di sicurezza) particolarmente limitati visti i valori molto dispersi
della resistenza. Per acquari, coperture, finestre il dimensionamento è fatto
considerando carichi massimi di pochi MPa.
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