Lo scorrimento viscoso (talvolta chiamato col termine inglese: creep) è la deformazione di un materiale sottoposto a sforzo costante che si verifica nei materiali mantenuti per lunghi periodi ad alta temperatura. Tale fenomeno è presente nei materiali viscoelastici (tra cui l'acciaio, il calcestruzzo e le materie plastiche).
La trattazione parte da quella del flusso di Stokes di un fluido newtoniano.
Il fenomeno duale, cioè la diminuzione nel tempo delle tensioni iniziali, anche a una deformazione costante nel tempo, è detto rilassamento degli sforzi.
Materiali metallici
Lo scorrimento viscoso si manifesta al di sopra della temperatura di scorrimento (Ts), coincidente indicativamente con la temperatura di ricristallizzazione e approssimabile, in media, alla metà della temperatura di fusione misurata in kelvin.
Si possono distinguere tre fasi principali quando il processo avviene a T > Ts e sollecitazione costante: prima fase: all'applicazione del carico si ha la deformazione elasto-plastica, che aumenta con velocità decrescente favorita dalla mobilità delle dislocazioni più favorevoli (segue una curva logaritmica); seconda fase : si stabilisce un equilibrio tra l'incrudimento e la ricristallizzazione: la deformazione prosegue a velocità quasi costante e bassa relativamente a quella presente nella fase successiva; terza fase: la deformazione aumenta rapidamente, arrivando velocemente alla rottura, a causa delle microcricche appuntite e dei microvuoti tondeggianti (nei punti di incontro di tre cristalli) e soprattutto dello scorrimento diffusivo dei giunti dei grani (cioè i grani si allungano per diffusione di atomi nella direzione della trazione e di vacanze nella direzione normale).
In caso di T < TS, lo sforzo costante induce una deformazione elastica e plastica senza che questa continui fino a rottura: non vi è infatti abbastanza energia per muovere le dislocazioni meno favorevolmente orientate, quindi ad un certo punto la deformazione si arresta. Il meccanismo che origina lo scorrimento viscoso è dovuto ad una competizione continua tra processi di incrudimento e di restaurazione strutturale del materiale, che regolano il moto delle dislocazioni. Nel primo stadio prevale l'incrudimento e quindi la velocità di deformazione diminuisce nel tempo; nel secondo stadio i due processi si bilanciano e la deformazione prosegue in quanto il rilassamento strutturale riduce il tasso di incrudimento. Infine nel terzo stadio avviene la rottura del materiale, in seguito ad uno scorrimento tra grani. Lo scorrimento viscoso è un fenomeno termicamente attivato e la velocità di deformazione può essere descritta da una legge di Arrhenius.
Parametri coinvolti
Dato che TS è circa pari a 0,4 TF, per la costruzione di componenti che debbano essere utilizzati a temperatura elevata si preferiscono materiali altofondenti. Escludendo il terzo stadio, il creep è influenzato dalla presenza di numerosi piani di facile scorrimento; quindi sono svantaggiati i metalli con reticolo C.F.C. (cubico a facce centrate) mentre la resistenza al creep risulta importante per materiali ingegnerizzati (materiali con bordi colonnari) o ancora meglio, resistono al creep materiali monocristallini (per esempio palette per le turbine). Lo slittamento delle dislocazioni può inoltre essere diminuito grazie all'inserimento di elementi alliganti; oligo-elementi quali boro e zirconio, invece, ostacolano lo slittamento dei bordi dei grani.
Sperimentalmente la progettazione a creep è effettuata per i metalli con la relazione di Larson-Miller:
Dove è la temperatura di esercizio, è il tempo di vita a rottura del materiale, la funzione interpolante i dati sperimentali (in genere si determina con un carico costante, dunque il secondo termine sarà costante) e è un parametro sperimentale caratteristico del metallo.
I trattamenti e la fabbricazione
Per migliorare la resistenza allo scorrimento viscoso sono utili i trattamenti che contribuiscano a ridurre la superficie dei giunti, come ricottura, normalizzazione, solidificazione direzionale, creazione di oggetti in monocristallo. La resistenza può essere aumentata anche da operazioni quali per esempio deformazioni plastiche preventive a freddo che ostacolino le dislocazioni, la precipitazione di particelle all'interno dei cristalli sotto alla temperatura di equicoesione o tra i cristalli per temperature superiori.
La produzione di metalli resistenti al creep avviene spesso sotto vuoto per eliminare le impurezze gassose (in particolare l'ossigeno, che potrebbe ossidare l'alluminio e il titanio quasi sempre presenti).
Lo scorrimento viscoso nel calcestruzzo Il ritiro e il fluage (o scorrimento viscoso) rappresentano le principali deformazioni differite del calcestruzzo, ossia quelle che si manifestano progressivamente nel tempo. In particolare, lo scorrimento viscoso è definito come una deformazione differita nel tempo a struttura soggetta a carico.
Il fenomeno è dovuto alla migrazione dell’acqua non combinata chimicamente dal gel di cemento verso i vuoti capillari, provocando una contrazione volumetrica del materiale.
L’entità dello scorrimento viscoso dipende da diversi fattori: la composizione del calcestruzzo, le dimensioni dell’elemento strutturale, le condizioni ambientali (soprattutto l’umidità relativa), l’intensità e la durata dei carichi applicati, nonché il grado di maturazione del calcestruzzo al momento del carico.
Andamento nel tempo delle deformazioni viscose Nel diagramma deformazione-tempo di un provino di calcestruzzo sottoposto a carico, la deformazione totale al tempo t è composta da una componente elastica (εₑ), immediata e costante nel tempo, e da una componente viscosa (εᵥₜ), che evolve progressivamente in funzione del tempo e del carico.
Con il passare del tempo, εᵥₜ tende asintoticamente a un valore limite εᵥ∞, generalmente pari a 2–3 volte la deformazione elastica.
Se il provino viene scaricato in un istante t, si osserva un ritorno elastico istantaneo (εₑᵢ) inferiore a εₑ, seguito da un ritorno elastico differito (εₑd). Rimane infine una deformazione residua (εᵥʀ), che rappresenta la parte irreversibile del fenomeno.
Prassi progettuale Nella pratica progettuale non si eseguono calcoli specifici per quantificare l’effetto dello scorrimento viscoso, che viene tuttavia considerato implicitamente in diversi casi:
nel metodo delle tensioni ammissibili, l’effetto combinato di fluage e ritiro è incluso nel modulo n, generalmente assunto pari a 15; nel calcolo di strutture iperstatiche, si tende a trascurare le sollecitazioni torsionali derivanti dalle condizioni di congruenza.
Effetti sulle strutture Gli effetti del fluage possono essere negativi o positivi a seconda dei casi.
Effetti negativi principali:
aumento dell’inflessione nelle strutture soggette a flessione, amplificato dalla presenza del ritiro; incremento della curvatura dei pilastri sotto carichi eccentrici, con conseguente riduzione della forza portante; perdita della forza di precompressione nelle strutture in calcestruzzo armato precompresso, fenomeno aggravato dal ritiro.
Effetti positivi principali:
attenuazione delle punte di tensione, ad esempio negli angoli di telai o nelle zone di discontinuità; riduzione delle tensioni coatte, contribuendo a una più equilibrata distribuzione degli sforzi interni
Lo scorrimento viscoso nelle materie plastiche
Bibliografia Aurelio Ghersi, Tecnica delle costruzioni - il Cemento Armato, I parte. Elio Giangreco, Teoria e tecnica delle costruzioni, vol. I, Liguori Editore. Fritz Leonhardt, Calcolo di progetto e tecniche costruttive, vol. I, ETS. Mario Collepardi, V come viscosità, Enco Journal. Vito Alunno Rossetti, Il Calcestruzzo - Materiali e Tecnologia, McGraw-Hill Editore. William D. Callister, Scienza e Ingegneria dei Materiali, McGraw-Hill Editore.
Voci correlate Flusso di Stokes Ritiro del calcestruzzo Rilassamento degli sforzi Viscoelasticità
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