Che cos'è la duttilità? Una guida completa

Nella scienza dei materiali, la capacità di un materiale di resistere alla deformazione senza rompersi è essenziale, soprattutto nelle applicazioni di produzione e ingegneria. Questa proprietà è nota come duttilità.

Capire la duttilità, come si misura e quali materiali possiedono questa proprietà può fare la differenza tra un prodotto ben funzionante e un progetto fallito.

Cosa significa duttilità?

La duttilità si riferisce alla capacità di un materiale di subire una significativa deformazione plastica prima della frattura.

In termini più semplici, questa proprietà consente a un materiale di essere allungato in un filo sottile o piegato senza rompersi. Questa caratteristica è essenziale nei materiali sottoposti a forze di trazione - forze che tirano e allungano il materiale - piuttosto che a forze di compressione.

Nella scienza dei materiali, i materiali duttili possono sopportare grandi deformazioni prima di cedere, mentre i materiali fragili si rompono con una deformazione minima o nulla. 

La duttilità è strettamente correlata alla plasticità di un materiale, che è la capacità di subire una deformazione irreversibile senza rompersi. Mentre l'elasticità si riferisce alla capacità di un materiale di tornare alla sua forma originale dopo la rimozione delle sollecitazioni, la plasticità è il momento in cui si deforma. Questi materiali presentano un alto grado di plasticità.

Come si determina la duttilità?

Il modo più comune per determinare la duttilità è la prova di trazione, in cui un materiale viene sottoposto a una tensione crescente fino alla rottura. Questo test aiuta gli ingegneri a capire quanto un materiale può allungarsi o deformarsi sotto sforzo prima di rompersi. I risultati delle prove di trazione sono tipicamente visualizzati su una curva sforzo-deformazione.

La curva sforzo-deformazione illustra come un materiale reagisce alle sollecitazioni (forza per unità di superficie) e alle deformazioni. Durante le prove, gli ingegneri sono interessati a sapere quanta deformazione può sopportare il materiale prima di cedere. Maggiore è la deformazione che un materiale può assorbire, maggiore è la sua duttilità.

I punti chiave della curva sforzo-deformazione includono:

• Resistenza allo snervamento: Il punto in cui il materiale inizia a deformarsi plasticamente, il che significa che non tornerà alla sua forma originale una volta rimossa la sollecitazione.

• Forza finale: La sollecitazione massima che il materiale può sopportare prima di rompersi.

• Modulo di Young: Rappresenta la relazione tra sforzo (forza applicata per unità di superficie) e deformazione (deformazione) in un materiale sottoposto a deformazione elastica. In sostanza, ci dice quanto un materiale si allungherà o si comprimerà sotto un determinato carico e quanto facilmente tornerà alla sua forma originale una volta rimosso il carico.

I materiali con un elevato allungamento a rottura sono più duttili, in quanto possono allungarsi ulteriormente prima di cedere. Al contrario, i materiali fragili presentano un leggero allungamento prima della rottura.

Misure di duttilità

La duttilità può essere misurata utilizzando due indicatori principali: l'allungamento e la riduzione dell'area. Queste misure forniscono una valutazione quantitativa di quanto un materiale si deforma prima di rompersi.

Allungamento: In genere viene espresso in percentuale, confrontando la variazione di lunghezza del materiale dopo la deformazione con la sua lunghezza originale. Ad esempio, se una barra metallica si allunga di 10% prima di rompersi, il suo allungamento è di 10%. Una percentuale più alta indica una maggiore duttilità. Questa misura è fondamentale nella produzione, dove i materiali devono spesso sopportare allungamenti o flessioni durante la lavorazione.

Riduzione dell'area: Questa misurazione si concentra sull'area della sezione trasversale del materiale nel punto di rottura. Dopo una prova di trazione, l'area della sezione trasversale alla rottura viene confrontata con l'area della sezione trasversale originale. Maggiore è la riduzione dell'area, maggiore è la duttilità del materiale. Questa misurazione è essenziale per i materiali soggetti ad assottigliamento durante i processi di produzione come la laminazione o l'estrusione.

Sia l'allungamento che la riduzione dell'area forniscono a ingegneri e produttori informazioni sul comportamento di un materiale in presenza di diversi tipi di sollecitazioni, assicurando la scelta dei materiali giusti per ogni applicazione.

Materiali duttili per la produzione

Nel settore manifatturiero, la duttilità dei metalli svolge un ruolo cruciale in diversi processi, tra cui:

Lavorazione della lamiera: I metalli possono essere formati in fogli sottili utilizzati nelle carrozzerie delle automobili, nei pannelli degli aerei e in altre strutture di grandi dimensioni.

Forgiatura e laminazione: I metalli duttili possono essere facilmente forgiati o laminati in forme diverse, pur mantenendo la loro integrità strutturale.

Estrusione: Metalli come l'alluminio e il rame possono essere estrusi in forme lunghe, come tubi, aste e tubature.

Stampa 3D con i metalli: Grazie a tecniche come la Laser Powder Bed Fusion (LPBF), metalli come il titanio e l'alluminio possono essere stampati in 3D in geometrie complesse mantenendo la flessibilità. 

Alcuni esempi di materiali duttili comunemente utilizzati in varie applicazioni:

Rame: Uno dei metalli più duttili, rame può essere allungato in fili sottili senza rompersi. La sua duttilità e l'eccellente conduttività elettrica ne fanno una scelta privilegiata per il cablaggio di sistemi elettronici ed elettrici.

Alluminio: È noto per le sue proprietà di leggerezza e moderata duttilità, alluminio è ampiamente utilizzato nell'industria automobilistica, aerospaziale e delle costruzioni. Può essere facilmente formato in varie forme, mantenendo resistenza e durata.

Oro: L'oro è un materiale altamente duttile, spesso utilizzato nell'elettronica e nella gioielleria per la sua capacità di essere trasformato in fili molto sottili senza perdere la sua integrità. Può essere modellato in disegni intricati.

Acciaio a basso tenore di carbonio: L'acciaio, in particolare quello a basso tenore di carbonio, è uno dei materiali più utilizzati nella produzione. La sua duttilità assorbe l'energia, rendendolo fondamentale nelle applicazioni in cui i componenti sono sottoposti a sollecitazioni, urti o vibrazioni.

Leghe di nichel: Leghe di nichel, come InconelI materiali di questo tipo presentano un'eccellente duttilità alle alte temperature, che li rende ideali per le applicazioni nei settori aerospaziale e della produzione di energia, dove è richiesta un'estrema resistenza al calore.

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