Comprendere il comportamento a frattura dei materiali eterogenei
I concetti di meccanica dei continui, che stanno alla base dell’attuale teoria della frattura, non prendono in considerazione il ruolo centrale svolto dall’eterogeneità del materiale. Tuttavia, la rottura del materiale è il risultato della complessa interazione tra i carichi applicati su larga scala e il danno progressivo della microstruttura del materiale su piccola scala. Nell’ambito del progetto TOUGHBRIDGE (Bridging microstructural to macroscopic properties in failure of heterogeneous materials), finanziato dall’UE, gli scienziati hanno arricchito la teoria classica relativa alla meccanica delle fratture con concetti di fisica statistica. Secondo il loro approccio, la frattura macroscopica avviene successivamente alla risposta collettiva di un campo di danno che si diffonde attraverso il materiale, nella microstruttura. In particolare, è stato dimostrato che l’interazione tra il disordine relativo al materiale e la ridistribuzione dello sforzo successivamente a un evento di danno svolge un ruolo centrale nel controllare le proprietà di frattura dei solidi. Seguendo tale idea, si potrebbero sviluppare modelli in grado di catturare la risposta relativa alla frattura dei materiali partendo dalla conoscenza della loro microstruttura eterogenea. Questi nuovi concetti teorici sono stati sviluppati grazie allo studio numerico e sperimentale della frattura nei solidi eterogenei con microstrutture semplici e controllate. Per i loro esperimenti, gli scienziati hanno dovuto progettare nuovi set-up e sviluppare nuovi mezzi di osservazione, i quali hanno permesso loro di seguire le crepe che si propagano nei materiali su piccola scala in termini di lunghezza e tempo. Hanno utilizzato un trattamento statistico dei dati grezzi raccolti che ha offerto loro una migliore comprensione della fisica e della meccanica relative alla frattura. Infine, i nuovi approcci teorici sviluppati nell’ambito di questo progetto, al fine di descrivere la transizione di frattura nei materiali, sono stati confrontati e testati in relazione alle osservazioni sperimentali. Nel complesso, tali nuovi approcci hanno dimostrato di predire in modo efficiente il comportamento di frattura e la resistenza di una vasta gamma di materiali. Infatti, gli scienziati hanno già impiegato con successo tali approcci per stimare le proprietà di frattura dei materiali eterogenei fragili che si rompono attraverso la propagazione di una crepa singola o quelle dei materiali quasi-fragili che si rompono attraverso la diffusione di un insieme di microcricche. A parte la migliore comprensione del processo di frattura, il lavoro svolto nell’ambito del progetto TOUGHBRIDGE ha portato a nuovi metodi per la progettazione di materiali con proprietà meccaniche migliorate. Questo concetto di rottura dovuta a progettazione è stato applicato per la fabbricazione di film sottili eterogenei con nuove proprietà adesive. Il passo successivo è quello di progettare solidi eterogenei più resistenti e leggeri, sfruttando i recenti progressi nelle tecniche di stampa 3D, le quali consentono il controllo completo dell’architettura del materiale. Tale nuovo approccio per la progettazione di materiali più resistenti apre molte prospettive interessanti per le applicazioni tecnologiche.
Parole chiave
Frattura, materiali eterogenei, microstruttura, crepe, solidi fragili, solidi quasi-fragili, TOUGHBRIDGE
