Snervamento e deformazione plastica nei polimeri

Finche lo sforzo resta basso, una plastica si deforma e poi torna come prima. Superata una soglia precisa — il carico di snervamento — la deformazione diventa permanente: il materiale si e snervato. Nei polimeri questo passaggio ha una firma spettacolare, la formazione di una strozzatura che si propaga lungo il provino, lo stiramento a freddo.

Vediamo che cos’e lo snervamento, cosa distingue deformazione elastica e plastica, come nasce il necking e perche lo stiramento a freddo rafforza il materiale.

Dalla deformazione elastica a quella plastica

Nel primo tratto della curva sforzo-deformazione la deformazione e elastica: reversibile, scompare quando si toglie il carico, perche i legami si allungano ma non si rompono e gli atomi tornano alle posizioni iniziali. Oltre un certo punto la deformazione diventa plastica: permanente, perche le catene scorrono le une rispetto alle altre rompendo e riformando interazioni con nuovi vicini, e al rilascio del carico non tornano piu indietro. Il punto di transizione e lo snervamento.

Il carico di snervamento

Il carico di snervamento (o tensione di snervamento) e lo sforzo in corrispondenza del quale inizia la deformazione plastica. Nei metalli la deformazione elastica si esaurisce gia a deformazioni piccolissime, intorno allo 0,5%; nei polimeri la soglia e diversa e spesso meno netta, ma il concetto resta lo stesso: sotto il carico di snervamento il pezzo lavora in modo reversibile, sopra si deforma per sempre. In progettazione si lavora sempre con un margine ampio sotto questa soglia, definito dal fattore di sicurezza, cioe dal rapporto fra la tensione ultima e quella di esercizio.

σ = E · ε  (legge di Hooke nella regione elastica)

Sotto il carico di snervamento vale la legge di Hooke e la deformazione e elastica; il diagramma sforzo-deformazione divide nettamente la regione reversibile da quella permanente.

Il necking: la strozzatura

Quando un provino di un polimero duttile viene tirato oltre lo snervamento, accade qualcosa di caratteristico: invece di assottigliarsi uniformemente, si forma una strozzatura localizzata (necking). In quel punto la sezione si riduce, lo sforzo locale aumenta, e ci si aspetterebbe la rottura immediata. Nei polimeri duttili, pero, succede l’opposto: la strozzatura non rompe ma si stabilizza e comincia a propagarsi lungo il provino.

Lo stiramento a freddo

Nella zona della strozzatura le catene del polimero, prima aggrovigliate e disordinate, si allineano nella direzione della trazione. Le catene allineate sono molto piu resistenti e rigide: la zona stirata si rafforza e smette di assottigliarsi, mentre la strozzatura si sposta verso le parti non ancora stirate. E lo stiramento a freddo (cold drawing): il collo avanza fino a coinvolgere quasi tutto il provino, che si allunga enormemente. E lo stesso fenomeno sfruttato industrialmente per produrre fibre e film orientati ad alta resistenza.

Duttile o fragile a snervamento

Non tutti i polimeri si snervano in modo duttile. Alcuni, come il polistirene non modificato o le resine fortemente reticolate, si rompono in modo fragile prima di raggiungere uno snervamento apprezzabile, con poca o nessuna deformazione plastica. La distinzione richiama quella usata per i metalli in base all’allungamento a rottura: oltre il 15% un materiale si considera duttile, fra il 5 e il 15% di duttilita intermedia, sotto il 5% fragile. La stessa soglia di allungamento separa una plastica che assorbe energia deformandosi da una che si frantuma.

Perche conta nella pratica

Il carico di snervamento e la soglia oltre la quale un pezzo di plastica si deforma in modo irreversibile: e il limite operativo di un componente strutturale. Conoscere se un polimero si snerva in modo duttile o si rompe in modo fragile permette di prevedere come si comportera in caso di sovraccarico — se assorbira l’energia deformandosi o se cedera di schianto. Lo stiramento a freddo, infine, e la base della produzione di fibre e film ad alte prestazioni: capirlo significa capire perche orientare le catene migliora le proprieta meccaniche.

Domande frequenti

Che cos’e il carico di snervamento?

E il valore di sforzo in corrispondenza del quale un materiale passa dalla deformazione elastica reversibile a quella plastica permanente. Sotto questa soglia il pezzo torna alla forma iniziale quando si toglie il carico; sopra, conserva una deformazione residua. In progettazione si lavora con un ampio margine sotto il carico di snervamento, definito dal fattore di sicurezza.

Qual e la differenza tra deformazione elastica e plastica?

La deformazione elastica e temporanea e reversibile: i legami si allungano ma gli atomi tornano alla posizione iniziale al rilascio del carico. La deformazione plastica e permanente: le catene scorrono le une rispetto alle altre rompendo e riformando interazioni con nuovi vicini, e non tornano piu indietro. La transizione fra le due avviene al carico di snervamento.

Che cos’e il necking nei polimeri?

E la formazione di una strozzatura localizzata quando un provino di polimero duttile viene tirato oltre lo snervamento. In quel punto la sezione si riduce, ma nei polimeri duttili la strozzatura non rompe: si stabilizza perche le catene si allineano e si rafforzano, e poi si propaga lungo il provino, che si allunga enormemente.

Che cos’e lo stiramento a freddo?

E il processo per cui, durante il necking, le catene del polimero si allineano nella direzione della trazione, rafforzando la zona stirata e facendo avanzare la strozzatura lungo il provino. Il risultato e un grande allungamento e un aumento di resistenza nella direzione di stiramento. E sfruttato industrialmente per produrre fibre e film orientati ad alta resistenza.

Tutti i polimeri si snervano in modo duttile?

No. Alcuni polimeri, come il polistirene non modificato o le resine fortemente reticolate, si rompono in modo fragile prima di raggiungere uno snervamento apprezzabile, con poca deformazione plastica. La distinzione tra duttile e fragile si lega all’allungamento a rottura: oltre il 15% si parla di materiale duttile, sotto il 5% di materiale fragile.