Certo
che 'sti chimici ne hanno di fantasia...
Varda qua che nome !
Poli para fenilen benzo
bisoxazolo !
Mi sono permesso più volte di scrivere qualcosa a proposito
della duttilità e della fragilità, quindi abbiate pazienza, o affezionati lettori.
Già ne dimostrate tanta continuando ogni mese a cliccare sui link
di questo sito, abbiatene allora ancora un po' dato che siete come me dei comuni
mortali e non siete tra coloro che possono permettersi di diventare proporietari di una isola nelle
"Vergini Inglesi".
Come "comune mortale" non è che io sia un drago in materia di duttilità e fragilità; ormai
sono un vecchio ingegnere, tuttavia quelle due parole hanno una valenza
pressoché eterna, che va quindi ben oltre a tutte le possibili generazioni di
ingegneri.
Per chi fosse distratto o smemorato (oppure per chi
trovasse più importante interessarsi dei risultati delle partite di calcio o
delle dichiarazioni dei segretari dei partiti politici) ricordo che:
LA DUTTILITA’ è la capacità che ha un materiale di
deformarsi a lungo prima di rompersi (come un segretario di un partito politico).
LA FRAGILITA’ è la debolezza di un materiale nel cedere di
botto (come il crociato di un giocatore di calcio).
Accanto
a queste proprietà, non trascurabili per i notiziari giornalieri
che ci rimpinzano di news sui segretari e sui giocatori
appunto, è altrettanto importante il rapporto
tra peso specifico e resistenza a rottura di un materiale…Anzi
questo rapporto è proprio
importante perché è quel numero che da centinaia di anni
ha fatto progredire la
cantieristica nella nautica da diporto.
Il rapporto tra peso specifico e resistenza a rottura si
può definire banalmente come “la facoltà di poter costruire leggero”.
Se ho delle sollecitazioni da assorbire, tanto più un
materiale resiste e tanto meno pesa, tanto meglio è…
Così, nel corso dei secoli si è passati dal legno, all’
acciaio, all’ alluminio, ai compositi.
...E, tra i compositi, dalla plastica con fibre di vetro, alla resina epossidica
con fibre aramidiche.
Per la verità anche il calcestruzzo merita di venir annoverato tra i materiali
compositi, ma il suo uso nella nautica è stato molto limitato proprio per il suo alto peso specifico..
La corsa al “costruire resistente ma leggero” ha
trovato però un grosso handicap: le fibre aramidiche infatti
(che fino a prova contraria
hanno dentro il carbonio) resistono molto, ma sono pochissimo duttili e
quindi
comportano per il composito delle rotture di tipo fragile; si rompono
cioè senza preavviso…più o meno come una lastra di
vetro.
Cose già dette.
Verrebbe spontaneo allora porsi la seguente domanda: "e se qualcuno riuscisse a produrre delle fibre
molto resistenti (e quindi in grado di continuare a costruire leggero) ma anche
duttili ?"
Risposta: ci sono riusciti i Giapponesi.
La ditta “TOYOBO” ha prodotto una fibra denominata ZYLON il
cui nome tecnico è Poliparafenilenbenzobisoxazolo, confidenzialmente detto PBO.
Il
PBO si
allunga prima di rompersi riducendo pian piano la sua sezione come
da qualche secolo fa nelle costruzioni l' acciaio; il PBO è insomma in grado di
portare il composito ad una
rottura di tipo duttile.
E' un bene o un male?
Stando alla mia simpatia per le rotture duttili mi verrebbe
da dire che è un bene, ma occorre fare dei distinguo, anzi ne basta uno solo…
Il distinguo è il seguente: un conto è aver a che fare con una parte strutturale che
può essere composta da fibra (o insieme di fibre), un altro è aver a che fare con
una parte strutturale che deve essere fatta da composito (fibre annegate in
resina).
Per esempio nel primo caso si può immaginare una sartia, nel
secondo caso uno scafo.
Nel caso di una sartia la necessità di risparmiare peso in
alto porterebbe alla scelta di fibre in sostituzione dell’ acciaio, ma usando
le aramidiche si avrebbero delle (eventuali) fratture fragili invece che
duttili; il PBO in questo caso assommerebbe i vantaggi di entrambi i materiali,
essendo sia leggero che duttile e lasciando alle contro-indicazioni solo la
sua vulnerabilità ai raggi U.V.
Nel caso di uno scafo la necessità di una scarsa
propensione alla deformazione unita a quella della leggerezza potrebbe portare
all’ uso del PBO nella resina, ma la rottura di tipo duttile delle fibre
potrebbe portare alla fessurazione della resina, che per uno scafo proprio non va
bene!
Se non è chiaro ciò che ho appena scritto, basta tenere
presente che una sartia lavora nell’ aria, mentre uno scafo deve tenere
separati (e guai se non lo fa) l’ aria dentro e l’ acqua fuori (e pertanto le
fessurazioni non devono esserci).
Ovviamente ciò che ho appena scritto non ha nulla di
quantitativo, cioè non è stato dimensionato e verificato.
E' ovvio che prima di
far arrivare le fibre a rottura ce ne vuole, nel senso che la faccenda dipende
dalle sollecitazioni e da quante fibre si annegano nella resina.
Ed è altrettanto chiaro che più fibre metto, che siano
aramidiche o in
PBO, meno probabilmente si arriverà alla rottura fragile o
duttile che sia; ma è anche altrettanto chiaro che i costi
saliranno di conseguenza.
Poiché al mio amico Nicola piacciono le trattazioni con
qualche numero (vedi riferimento articolo di settembre 2017) dove scrive “Gli articoli con tecnicismi e formule astruse
a noi comuni lettori ignoranti (nel senso che non sappiamo cosa siano) ci
suonano sempre bene, ci affascinano e colmano il nostro vuoto culturale”, cito qualche dato.
La tensione di rottura del PBO è di 5800 N/mm2, significa che la sezione di
una fibra pari a 1 mm2 se sollecitata con una forza di 5800 N (591
Kg) si rompe.
Il modulo elastico del PBO è di 270000 N/mm2,
significa che ad una fibra occorre applicare quella tensione per ottenere un
allungamento del 100%….
Non è chiaro, vero? Infatti un allungamento del 100% è
una cosa assurda, per un filo significherebbe tirarlo fino a raddoppiarne la
lunghezza.
Allora stiamo sul reale, con una semplice formuletta che ci permetterà di capire meglio come funzionano le cose.
In
gergo la tensione si rapresenta con SIGMA, il modulo di
elasticità con E e l' allungamento con EPSILON... vale tra loro
la relazione SIGMA = E x EPSILON.
Se divido la tensione di rottura per il modulo di elasticità,
ottengo l’ allungamento a rottura, cioè la percentuale di quanto si deve
allungare una fibra per rompersi.
SIGMA / E = EPSILON
Questo è molto più comprensibile: nel caso del PBO vale
5800/270000 = 0.021, cioè 2.1%
Insomma una fibra di PBO si rompe quando arriva ad allungarsi
del 2.1%...se fosse cioè lunga 100 cm si romperebbe alla lunghezza di 102 cm con
rottura duttile.
Ora è un bel po' più chiaro.
E le altre fibre?
Carbonio: le fibre di carbonio hanno uno spettro di
tensioni di rottura e di moduli di elasticità alquanto ampio: le prime vanno da
3100 a 4500 N/mm2, i secondi da 220000 a 800000 N/mm2.
Facendo i conticini di cui sopra per dei valori medi, una
fibra di carbonio lunga 100 cm si romperebbe alla lunghezza di 100.6 cm con
rottura fragile.
Aramide (Kevlar): le fibre aramidiche hanno uno spettro di tensioni
di rottura e di moduli di elasticità che vanno da 3000 a 4500 N/mm2
e da 130000 a 150000 N/mm2.
Facendo i conticini di cui sopra per dei valori medi, una
fibra aramidica lunga 100 cm si romperebbe alla lunghezza di 103 cm con rottura
fragile.
Acciaio: non si può parlare propriamente di fibre, ma di
cavi che possono arrivare a una tensione di rottura di 4500 N/mm2
con un modulo di elasticità di 210000 N/mm2.
Facendo i conticini di cui sopra, un cavo di acciaio lungo
100 cm si romperebbe alla lunghezza di 102 cm con rottura duttile (come il
PBO).
Quindi PBO e acciaio sono paragonabili come comportamento,
con un innegabile vantaggio di peso per il PBO ma di risparmio in denaro per l’
acciaio.
Se invece si vuole un composito che riduca il più possibile
l’ aprirsi di fessurazioni nella resina, a parità di condizioni le fibre di
carbonio - con un allungamento a rottura così contenuto - sono il massimo che si
possa avere….Chiaramente però si spaccano in modo fragile, cioè di schianto e
senza preavviso.
COME CONCLUDERE ORA QUESTE CONSIDERAZIONI ?
Si potrebbe concludere con la seguente domanda: “cosa posso
fare di buono per migliorare la mia barca, usare segretari di partiti politici
o muscoli di giocatori di calcio?”
Beh, in genere i primi sono meno costosi dei secondi, nel
senso che le gambe di un giocatore di calcio sono più preziose della testa di
un segretario di un partito politico.
I primi però durano molto ma molto di più nel tempo, nel
senso che talvolta non riuscite più a disfarvene perché hanno la caratteristica
di non rompersi mai (e di non finire mai, ma proprio mai in carcere).
Del resto ciò che nella nostra barca vorremmo che non
succedesse mai (soprattutto quando ci navighiamo sopra) è che qualcosa si rompa,
anche perché se succede accade sempre nel momento meno opportuno; quindi
spendere molto a volte proprio non ne vale la pena, anche perché (so che l’ho
già scritto, ma mi ripeto perché sono convinto di dire una cosa giusta) il
tramonto ce lo gustiamo lo stesso anche se la nostra barca è vecchia e non ha
le sartie volanti in dyneema.
In altre parole, viva l’ economicità e l’ elasticità !