Carico limite elastico e moto delle dislocazioni

Il carico a limite elastico è il valore massimo della sollecitazione in virtù della quale il materiale subisce una deformazione reversibile. Se si supera il carico a limite elastico si possono avere due scenari: 

• il materiale si frattura;
• il materiale inizia a deformarsi in modo permanente, passando da un regime elastico a un regime plastico. 

La deformazione permanente dei materiali (plastica) è legata al movimento delle dislocazioni. Quali materiali possono deformarsi plasticamente? In quali materiali le dislocazioni si possono muovere? Nei materiali metallici le dislocazioni si possono muovere perché il legame non è direzionale e i piani cristallini possono scivolare e slittare l’uno sull’altro; nei materiali ceramici, nei solidi ionici e covalenti, invece, le dislocazioni esistono ma sono immobili, perché o il legame è fortemente direzionale (ceramici covalenti) oppure, come nel caso nei ceramici ionici, ci sono problemi di repulsione di cariche se i piani slittano, dunque in questi materiali le dislocazioni non possono muoversi (nel momento in cui si muovono il materiale giunge a frattura). 

Questo spiega perché nei metalli avrò una deformazione plastica permanente una volta superato il carico limite elastico; viceversa nei ceramici e nei vetri avrò frattura.  

Vi sono due scenari per un materiale che subisce la transizione da regime elastico a regime plastico (vedi figura):

• nel regime elastico è visibile una retta, quindi sforzo e deformazione sono legati da proporzionalità diretta (legge di Hooke): nella figura di sinistra è visibile una transizione graduale verso il regime plastico, quindi la curva cambia pendenza (da lineare ad arrotondata); 
• nella figura di destra, invece, è visibile una transizione complessa: nell’intorno del limite elastico ho una oscillazione dello sforzo. Superato il carico limite elastico ho arrangiamenti microstrutturali del materiale che fanno fluttuare la tensione. In seguito, la curva ricomincia a salire (regime plastico).

In entrambi i casi, il punto di transizione da regime elastico a regime plastico si chiama punto di snervamento: nella figura di sx coincide con il carico al limite elastico, nella curva di dx, invece, si definisce un limite di snervamento superiore e un limite di snervamento inferiore. Tipicamente il valore di carico di snervamento è la media dei due. 

I materiali sollecitati oltre il limite elastico o arrivano a frattura senza deformazione plastica (vetri e ceramici) oppure subiscono una deformazione irreversibile (deformazione plastica).    

Nel caso del materiale fragile, la curva sforzo-deformazione a seguito di una prova di trazione è una retta. Al limite elastico il materiale si frattura. 

Negli altri due casi (materiali semi-duttile e duttile), si ha deformazione plastica che può variare notevolmente: può essere modesta (materiale semi-duttile) oppure importante (materiale duttile). La figura in basso a destra corrisponde al caso in cui il carico limite elastico coincide con il carico di snervamento, mentre la figura in basso a sinistra corrisponde al caso in cui vi è un carico di snervamento superiore e uno inferiore.