Materiali ceramici

ING. DENNY COFFETTI

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BERGAMODIPARTIMENTO DI INGEGNERIA

E SCIENZE APPLICATE

MAIL: DENNY.COFFETTI@UNIBG.IT

Resistenza ai carichi assiali

Frattura dei materiali

ceramici

COMPRESSIONE

Fonte: Concretum – Luigi Coppola

Compressione

Compressione

La prova di schiacciamento consiste nel

posizionare il provino tra i piatti di acciaio di una

pressa aumentando il carico applicato in modo

che:

INCREMENTO TENSIONE DI COMPRESSIONE

0.2 ÷ 1.0 MPa/s

(PROVA IN CONTROLLO DI FORZA)

Compressione

Compressione

Compressione

La frattura dei materiali ceramici sottoposti a

compressione avviene con formazione di

fessure parallele alla direzione del carico.

IN TEORIA!!!!

Compressione

Compressione

Compressione

Stato di sforzo nella prova di compressione:

- Differenza tra i moduli elastici

Eacciaio ≈ 10 Eceramico

- Differenza tra i moduli di Poisson dei due diversi

materiali a contatto (ceramico e acciaio)

υacciaio = 0,30 υceramico = 0,15 ÷ 0,25 (0,20)

Compressione

Per un determinato valore dello sforzo σ

applicato al provino si ha:

σa = Ea ∙ εa

σc = Ec ∙ εc

Con σa = σc = σ

Compressione

Sapendo che Eacciaio ≈ 10 Eceramico si ha

Ec ∙ εc = 10 ∙ Ec ∙ εa

Quindi

εc = 10 ∙ εa

Compressione

Partendo da tale assunto

εc = 10 ∙ εa

È possibile ricavare la deformazione trasversale

dei due materiali:

ε󠅾┴ a = υa ∙ εa = 0,30 ∙ εa

ε󠅾┴ c = υc ∙ εc= 0,20 ∙ εc = 0,20 ∙ 10 ∙ εa = 2 ∙ εa

ε󠅾┴ c = 2 ∙ εa

Compressione

Da cui si può ricavare che

ε󠅾┴ c = 2 ∙ (ε┴a / υa)

Quindi

ε󠅾┴ c = 2 ∙ (ε┴a / 0,30)

ε󠅾┴ c ≈ 7 ∙ε┴a

La deformazione laterale del materiale ceramico

è all’incirca 7 volte maggiore rispetto a quella

del piatto di acciaio.

Compressione

Si prospettano due alternative:

1. Si posiziona del materiale lubrificante tra la

piastra e il provino in modo tale da consentire lo

scorrimento relativo (prova non confinata).

La deformazione laterale dei due materiali sarà

diversa (il ceramico si deforma di più).

Sul provino si crea uno stato di sollecitazione

uniassiale di compressione che crea delle lesioni

ad andamento verticale. Il valore letto sulla

macchina indica la resistenza a compressione

del materiale con uno stato di sforzo uniassiale.

Compressione

Compressione

2. Non si posiziona alcun tipo di materiale tra la

piastra in acciaio e il provino (prova confinata).

All’interfaccia piatto/provino la deformazione

laterale dei due materiali deve essere identica.

Perché ciò avvenga l’acciaio deve indurre sul

provino uno sforzo laterale di confinamento in

grado di ridurre la deformazione laterale del

calcestruzzo. Lo sforzo laterale di confinamento è

massimo dove è massimo l’attrito (interfaccia) e

diminuisce man mano che ci si allontana dai

piatti.

Compressione

Compressione

Con la nascita di queste tensioni laterali il tipo di

sforzo non è più di tipo uniassiale ma diventa di

tipo triassiale.

Compressione

Nella prova di compressione la rottura avviene

per superamento della deformazione laterale

massima del materiale ceramico.

Nella prova confinata – grazie alla presenza dello

sforzo laterale di confinamento – occorre

applicare uno sforzo maggiore rispetto alla prova

non confinata per raggiungere la deformazione

ultima a rottura del materiale.

Infatti, in generale, i materiali ceramici hanno

una migliore risposta di fronte a sollecitazioni

triassiali di tipo «idrostatico».

Compressione

In conclusione,

La prova di compressione effettuata con provini

cubici a diretto contatto con i piatti di acciaio

sovrastima la resistenza a compressione rispetto a

quella che il materiale manifesterebbe in regime

uniassiale in assenza di confinamento laterale.

Compressione

E I PROVINI CILINDRICI?????

Compressione

Nelle prove di schiacciamento vengono

generalmente usati provini cilindrici con rapporto

altezza / diametro (h/d) pari a 2.

La maggior snellezza determina un grado di

confinamento prossimo a zero nelle zone centrali

del provino che, pertanto, collassano per valori di

sforzo prossimi a quelli ottenibili in regime

uniassiale in assenza di confinamento.

Compressione

Compressione

I provini cilindrici forniscono quindi un valore di

resistenza meccanica a compressione più basso

rispetto ai valori ottenibili da prove CONFINATE su

cubi.

Per i vari materiali, la normativa stabilisce delle

correlazioni tra la resistenza su cilindri (NON

CONFINATA) e su cubi (CONFINATA).

Per il calcestruzzo, vale

fc = 0,83 ∙ Rc

(N.T.C. 2008)

Compressione

Frattura dei materiali

ceramici

TRAZIONE

Fonte: Concretum – Luigi Coppola

Resistenza a trazione

Generalmente, la resistenza a

compressione dei materiali ceramici è

decisamente superiore rispetto alla

resistenza a trazione.

In particolare, si raggiungono valori di

resistenza a trazione prossimi al 10%

rispetto a quelli misurati a compressione.

Resistenza a trazione

La frattura dei materiali ceramici sottoposti a

trazione avviene perpendicolarmente alla

direzione di sollecitazione (modalità I di apertura

della cricca)

Resistenza a trazione

È possibile determinare la resistenza a trazione

di un materiale ceramico attraverso prove di:

Trazione diretta

Trazione indiretta o «alla brasiliana»

Trazione per flessione su tre o quattro punti

Resistenza a trazione

La prova di trazione diretta consiste

nell’applicare una sollecitazione uniassiale di

trazione sul provino fino a giungere a rottura.

Pur sembrando

estremamente facile da

realizzare, questa prova

viene raramente eseguita

per via delle molteplici

difficoltà dal punto di vista

operativo.

Resistenza a trazione

Resistenza a trazione Difficoltà

nell’afferraggio

Difficoltà

nell’applicazione di

una sollecitazione di

trazione pura senza

eccentricità (quindi

momenti flettenti)

Forte influenza di

eventuali difetti e

microdifetti del

provino

Resistenza a trazione

La prova di trazione indiretta (alla brasiliana)

consiste nell’applicare una sollecitazione

uniassiale di compressione lungo l’altezza di

un provino cilindrico.

Resistenza a trazione

Resistenza a trazione

Resistenza a trazione

Resistenza a trazione

La prova di trazione per flessione serve per valutare la resistenza alla flessione di provini prismatici in materiale ceramico, i quali sono sottoposti ad un momento flettente mediante l’applicazione di un carico attraverso rulli superiori ed inferiori.

Generalmente la prova viene realizzata con l’impiego di tre rulli (prova su tre punti) o quattro rulli (prova su quattro punti).

Resistenza a trazione

Resistenza a trazione

Resistenza a trazione

Analizzando la prova su 4 punti si ha:

Resistenza a trazione

Analizzando la prova su 4 punti si ha:

Resistenza a trazione

Resistenza a trazione

In generale, la prova di resistenza a trazione

per flessione è maggiore rispetto alla

resistenza misurata con la prova diretta e

indiretta perche:

In questa prova è solo il lembo inferiore del

travetto ad essere sottoposto allo sforzo

massimo. È quindi minore la probabilità di

trovare un difetto in cui possa innescarsi il

collasso

Lo stato di sforzo è biassiale (sforzo normale più

taglio)

Resistenza a trazione