MATERIALI POLIMERICI - Corsi di Laurea a Distanza

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MATERIALI POLIMERICI 

I materiali polimerici, detti anche materie plastiche o resine sintetiche, sono sostanze formate da 

molecole organiche molto grandi, macromolecole, derivanti dall’unione, mediante legami chimici, 

di piccole unità chiamate monomeri. Queste unità possono essere di una o più specie. 

Alcuni polimeri come la cellulosa, la gomma naturale, le resine sono di origine naturale; la 

stragrande maggioranza è di origine artificiale e recente, tenuto conto che i primi polimeri 

industriali, e cioè la celluloide e la bakelite, sono stati prodotti nel 1870 e nel 1907. 

Sono caratterizzati da basso peso specifico, da notevole inerzia chimica, in molti casi da modesto 

carico di snervamento e da grande allungamento a rottura; hanno come limite per le applicazioni 

una scarsa resistenza alle alte temperature 

Possono essere classificati in vari modi. Valutando la struttura si distinguono in polimeri lineari, 

se le unità monomeriche sono legate a formare lunghe catene, più o meno raggomitolate; in 

polimeri ramificati, quando da una catena principale si dipartono ramificazioni laterali; in polimeri 

reticolati, quando alcune ramificazioni connettono chimicamente più catene. Le tre situazioni sono 

mostrate in figura 1. 

Le diverse strutture influenzano le proprietà : i polimeri lineari sono solubili in solventi e 

rammolliscono all’aumentare della temperatura fino a diventare liquidi; i polimeri reticolati sono 

invece insolubili e infusibili. 

I polimeri possono anche essere classificati, in base al loro comportamento al variare della 

temperatura, in termoplastici, se rammolliscono al riscaldamento per riacquistare consistenza 

solida a bassa temperatura, secondo un ciclo che può essere ripetuto infinite volte e in 

termoindurenti se dapprima rammolliscono , ma poi si consolidano definitivamente senza poter 

riacquistare fluidità. 

I polimeri termoplastici costituiscono il gruppo più importante di materie plastiche e sono 

formati da catene lineari; quelli termoindurenti sono formati da grosse molecole reticolate. La 

produzione delle resine termoindurenti avviene in due stadi : dapprima si ottengono macromolecole 

semplici, dotate di gruppi reattivi; durante la formatura degli oggetti questi prodotti intermedi si 

saldano originando un reticolo tridimensionale rigido. 

I polimeri possono infine anche essere classificati sulla base dei meccanismi di 

polimerizzazione coinvolti. Si parla al riguardo di polimerizzazione per addizione, per 

policondensazione, per poliaddizione, per addizione e vulcanizzazione. 

Polimerizzazione per addizione. Con questo processo si ottengono polimeri con la stessa 

composizione del monomero, per lo più termoplastici; il monomero deve contenere un doppio 

legame C = C che si apre, trasformandosi in un legame semplice, mentre le valenze liberatesi si 

saturano vicendevolmente per formare la catena polimerica. 

Il monomero più semplice è il gas etilene CH2= CH2 che, in presenza di un iniziatore X del 

processo, si trasforma in X-CH2-CH2- poi in X-CH2-CH2-CH2-CH2- e poi progressivamente in 

X- (-CH2-CH2-)n- , con n che può valere anche 100.000. La polimerizzazione si arresta quando 

l’estremità reattiva di una catena in crescita ne incontra un’altra. Con l’operazione descritta, 

partendo dall’etilene, si è ottenuto il polietilene o, brevemente, il politene. 

Dall’omologo superiore dell’etilene, e cioè dal propilene CH3-CH=CH2, si ottiene il 

polipropilene -CH-CH2-CH-CH2- . In questo caso si possono però ottenere prodotti con proprietà 

CH3 CH3 

1


differenti, a seconda di come si uniscono tra di loro le unità monomeriche -CH –CH2- . Si 

| 

CH3 

possono, ad esempio, avere polimeri testa-coda, più comuni, o testa-testa 

-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2- -CH-CH2-CH2-CH-CH-CH2-CH2-CH-CH- 

| | | | | | | | 

CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 

oppure i gruppi -CH 3 possono disporsi, rispetto alla catena principale, in tre modi : 

a) tutti da una parte polipropilene isotattico (moplen) 

b) casualmente polipropilene atattico 

c) alternati polipropilene sindiotattico 

Il monomero superiore C4H8 presenta due isomeri, il butene 1 , CH2=CH-CH2-CH3 , e il 

butene 2 , CH3-CH=CH-CH3 che originano polimeri differenti e precisamente 

-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH- e -CH-CH-CH-CH-CH-CH-CH- 

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CH2 CH2 CH2 CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3 

| | | 

CH3 CH3 CH3 

Un altro esempio importante è dato dal monomero stirene C6H5-CH=CH2 dal quale si ottiene il 

polistirene (impropriamente detto polistirolo ). 

Tutti gli esempi precedenti riguardano monomeri contenenti solo C e H , due elementi molto 

vicini nella scala dell’elettronegatività; i polimeri con essi realizzati vengono detti non polari. Vi 

sono altri esempi importanti che riguardano la presenza nel monomero di atomi elettronegativi. 

Se si sostituisce un atomo di H dell’etilene CH2=CH2 con un atomo di cloro si ottiene il 

monomero CH2=CHCl (monocloroetilene oppure cloruro di vinile, in quanto il radicale CH2=CH- 

si chiama vinile). Il polimero risultante è il policloruro di vinile (PVC) 

-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH- 

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Cl Cl Cl Cl 

che può, naturalmente, esistere nelle forme testa-testa oppure testa-coda. 

Un altro esempio è dato dagli esteri dell’acido acrilico e dell’acido metilacrilico (o metacrilico) 

CH2=CH-COOH (ac.acrilico) -CH2-CH-CH2-CH- -CH2-CH-CH2-CH- (estere) 

| | | | 

COOH COOH COOR COOR 

CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 

| | | | | 

CH2=C-COOH (ac.metacrilico) -CH2-C-CH2-C-CH2- -CH2-C-CH2-C-CH2- (estere) 

| | | | 

COOH COOH COOR COOR 

2


dove R = -CH3 ; -CH2-CH3 ; -C6H5. 

Un ulteriore esempio si ha quando tutti i quattro atomi di H dell’etilene sono sostituiti da atomi 

di fluoro per dare il tetrafluoroetilene CF2=CF2 da cui deriva il politetrafluoroetilene (teflon). 

F F F F F F F F 

| | | | | | | | 

-C-C-C-C-C-C-C-C- 

| | | | | | | | 

F F F F F F F F 

Gli ultimi esempi esposti concernono polimeri polari. 

Le caratteristiche dei materiali polimerici sono strettamente legate alla natura del monomero 

e al numero di monomeri presenti nelle macromolecole. Si parla al riguardo del grado di 

polimerizzazione che rappresenta il numero di monomeri mediamente presenti nelle 

macromolecole; esso è compreso fra alcune centinaia e alcune migliaia di monomeri. Si parla altresì 

di peso molecolare medio delle macromolecole, che può variare da alcune migliaia ad alcune 

centinaia di migliaia, fino anche a 1.000.000. 

Per avere un’idea della lunghezza di una catena polimerica consideriamo una macromolecola di 

polietilene allungata con peso molecolare di 1.000.000. Essa è costituita dal susseguirsi di gruppi 

-CH2- che hanno “peso molecolare” 14. Il loro numero è pari a 1.000.000 / 14 = 70.000. La 

distanza tra due atomi di carbonio adiacenti della catena è di circa 1,5 Å ovvero 1,5.10 -10 m. La 

lunghezza della catena distesa è data da 70.000 . 1,5 . 10 -10 = 10 -5 m = 10 µm. Se la catena anzichè 

distesa fosse raggomitolata avrebbe un raggio di circa 0,02 µm. 

La lunghezza delle catene macromolecolari influenza le proprietà dei polimeri. Nella Fig. 2 è 

Fig. 2 

mostrata la dipendenza del carico di rottura a trazione R in funzione del peso molecolare medio. 

In genere è preferibile avere una dispersione contenuta dei pesi molecolari delle macromolecole. 

Un altro parametro importante per i polimeri termoplastici che vengono elaborati allo stato 

fluido è il comportamento reologico che, a sua volta, è strettamente legato al grado di 

polimerizzazione. Come mostra la Fig.3 a molecole corte corrisponde un assetto ordinato allo stato 

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solido, una temperatura di fusione netta e un liquido molto mobile; a molecole di media lunghezza 

corrisponde un solido meno ordinato, un modesto intervallo per la fusione e un liquido viscoso; a 

molecole molto lunghe corrisponde un solido largamente amorfo, un ampio intervallo per la fusione 

e la formazione, ad alta temperatura, di un prodotto gommoso, difficile da formare. 

Occorre ancora osservare che i polimeri termoplastici allo stato solido non danno fenomeni di 

diffrazione dei raggi X. Sono tuttavia presenti microvolumi all’interno dei quali le macromolecole 

si dispongono con un certo ordine quasi fossero dei cristalli. Questi microvolumi, denominati 

cristalliti , sono dispersi in una matrice amorfa e hanno dimensioni dell’ordine di 100 Å , ovvero di 

10 -6 cm. La frazione di polimero che si trova allo stato ordinato prende il nome di grado di 

cristallinità. Sottoposti a stiramento a freddo i polimeri mostrano un aumento del grado di 

cristallinità e un orientamento dei cristalliti parallelo alla direzione di sollecitazione. Ciò è mostrato 

nella figura 4. L’orientamento dei cristalliti modifica le proprietà del materiale a seconda che 

Fig 4 

vengano misurate parallelamente o perpendicolarmente alla direzione di orientamento. Ciò consente 

di utilizzarli in modo ottimale come agenti rinforzanti nelle zone più sollecitate. Tuttavia talvolta 

l’effetto può essere indesiderato, se è una conseguenza delle operazioni di formatura, in quanto crea 

tensioni interne residue. L’elevata velocità di solidificazione dopo formatura congela l’orientamento 

delle macromolecole mantenendo l’anisotropia prodotta. Ulteriori tensioni sono inoltre dovute al 

fatto che i componenti solidificano in superficie mentre il materiale è ancora fluido all’interno e 

solidifica successivamente contraendosi; si creano tensioni interne causate dal guscio esterno rigido 

che impedisce la contrazione. 

All’aumentare della cristallinità aumenta la resistenza meccanica , la temperatura di impiego, la 

densità. Nel caso del polietilene la densità può variare da 0,90 a 0.96 g/cm 3 a seconda del grado di 

cristallinità. Tale dipendenza e la conseguente influenza su alcune proprietà è mostrata nelle Fig.5. 

Figg. 5 

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Inoltre un politene non stirato ha un carico di rottura di 13-20 MPa e un allungamento a rottura 

del 500 % , mentre uno stirato mostra un carico di rottura di 90-250 MPa e un allungamento a 

rottura del 30 %. 

Alcuni polimeri amorfi hanno caratteristiche analoghe a quelle del vetro in quanto sono 

trasparenti e relativamente fragili; si parla per essi di stato vetroso ; con il riscaldamento passano 

dallo stato vetroso a uno stato gommoso ( e poi allo stato di liquido molto viscoso); la temperatura 

alla quale ha inizio il passaggio allo stato gommoso si chiama transizione vetrosa (oppure 

temperatura di transizione allo stato vetroso) e indicata con il simbolo Tg .Questi polimeri vengono 

elaborati a una temperatura T > Tg e utilizzati a una temperatura T < Tg . La transizione vetrosa 

varia da polimero a polimero : ad es. vale 100°C per il polistirene e -85°C per il polibutadiene 

- CH2-CH=CH-CH2- . 

A differenza di quelli termoplastici i polimeri termoindurenti mantengono consistenza solida 

fino a quando, per effetto del riscaldamento, cominciano a decomporsi, senza essere prima 

rammolliti o fusi. 

La struttura di un polimero dipende anche dalle condizioni di solidificazione. Allo stato fuso le 

macromolecole hanno forma disordinata e si muovono continuamente all’interno di una fase che è 

isotropa e amorfa. Al diminuire della temperatura le macromolecole tendono a raggiungere una 

configurazione a minima energia associandosi in fasci che vengono inglobati in una matrice amorfa 

di macromolecole disordinate (Fig.4b). 

Operando in condizioni opportune segmenti di molecole si dispongono tridimensionalmente 

con andamento parallelo formando strutture lamellari -Fig.6- interconnesse da qualche molecola 

Fig. 6 

“laccio”. Variando le modalità di raffreddamento di un polimero fuso si sviluppano nuclei di 

cristallizzazione dai quali crescono in direzione radiale nastri di lamelle che alla fine formano 

aggregati di forma sferica detti sferuliti (Fig.7).Queste hanno diametri variabili da 10 a 1000 µm; 

Fig. 7 

la loro dimensione non aumenta più quando incontrano altre sferuliti in fase di crescita; esse sono 

tenute insieme da molecole laccio che attraversano la superficie di contatto: Il loro diametro 

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dipende dalla velocità di nucleazione e influenza le caratteristiche del polimero; sferuliti grosse, non 

nucleate, inducono fragilità mentre sferuliti piccole, nucleate, inducono tenacità. 

La deformazione di un polimero semicristallino è speso accompagnata da una profonda 

modificazione della sua struttura. Come si rileva dalla Fig.8 si passa da una struttura a sferuliti 

indeformate a una struttura di tipo lamellare. 

Si è visto che un carico a trazione può orientare i cristalliti presenti in un materiale polimerico 

(Fig.4b). Esso è anche in grado di 

provocare altri effetti. Le 

macromolecole possono infatti , per 

effetto di tale carico, come mostra la Fig.9, 

deformarsi, sgomitolasi, scorrere 

reciprocamente. 

Fig. 9 

La polimerizzazione per addizione può coinvolgere due o più monomeri diversi; si ottengono in 

questo modo i copolimeri. La grande varietà dei materiali polimerici disponibili consegue anche al 

fatto che i diversi monomeri sono presenti in quantitativi variabili e sono disposti in modo 

differente. I monomeri, come mostra la Fig.10, si possono infatti unire in modo casuale, Fig.10a, 

oppure per blocchi, Fig.10b, oppure a innesto, quando sulla catena principale formata da un 

monomero si innestano catene laterali formate da altri monomeri,Fig.10c. 

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POLIMERIZZAZIONE PER POLICONDENSAZIONE 

Avviene per reazione fra le molecole del monomero o dei monomeri che devono contenere due 

gruppi reattivi; nella reazione vengono eliminate molecole semplici tipo H2O, NH3, HCl e quindi 

la composizione del polimero è diversa da quella dei prodotti di partenza. 

Il monomero può essere unico, ad es. l’amminoacido H2N-(-CH2-)5-COOH 

HHN-(CH2-)5COOH + HHN-(-CH2-)5-CO-OH → -NH-(-CH2-)5-CO-NH-(-CH2-)5-CO- (nailon 

6) 

I monomeri possono essere due, ad es. H2N-(-CH2 )6-NH2 e HOOC-(-CH2-)4-COOH e formano 

-HN-(-CH2-)6-NH-CO-(-CH2-)4-CO-NH-(-CH2-)6-NH- (nailon 6,6) 

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POLIMERIZZAZIONE PER POLIADDIZONE (o condensante ) 

Avviene fra monomeri diversi , uno dei quali contiene due atomi di H attivi, ciascuno con due 

gruppi funzionali; non vengono eliminate molecole semplici, ma si verifica solo un riarrangiamento 

degli atomi. Sono esempi la reazione tra dioli (glicoli) e diisocianati per formare i poliuretani. 

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HO-CH2-CH2-OH + O=C=N-R-N=C=O + HO-CH2-CH2-OH ( R,ad es.,è il difenilmetano 

si ottiene -CH2-CH2-O-CO-NH-R-NH-CO-O-CH2-CH2-O-CO-NH-R- 

oppure la reazione tra diammine e diisocianati 

H2N-R-NH2 + O=C=N-R’-N=C=O → -NH-R-NH-CO-NH-R’-NH-CO-NH-R-NH-CO-NH-R’ 

Oppure la reazione tra biacidi e diisocianati 

HOOC-R-COOH + O=C=N-R’-N=C=O → -O-CO-R-CO-O-CO-NH-R’-NH-CO-O-R-CO-O- 

Nell’ultimo esempio, se nel corso della polimerizzazione si riscalda moderatamente il sistema, 

si ha eliminazione di CO2 che rimane in parte intrappolata nel polimero originando un prodotto 

espanso. 

POLIMERIZZAZIONE DI MONOMERI CONTENENTI DUE DOPPI LEGAMI 

CONIUGATI 

E’ una polimerizzazione per addizione che porta alla formazione di polimeri contenenti ancora un 

doppio legame. Dei due doppi legami iniziali, uno serve per la polimerizzazione e l’altro rimane, 

sia pure spostato, nel polimero. Come esempio si può citare il polimero presente nella gomma 

naturale che deriva dal monomero isoprene ( 2 metil butadiene ). 

La presenza di doppi legami nel polimero rende le macromolecole reattive; in particolare 

alcuni di questi doppi legami possono rompersi e addizionare atomi di zolfo che fungono da ponte 

tra le molecole. Si tratta del processo di vulcanizzazione attraverso il quale si preparano gli 

elastomeri o gomme 

PROCESSI DI POLIMERIZZAZIONE 

Sono possibili diverse tecniche di polimerizzazione per addizione. Si può effettuare una 

polimerizzazione di massa riscaldando in un reattore il monomero ed eventualmente un 

catalizzatore; si ottiene un prodotto puro, trasparente e dotato di caratteristiche meccaniche tanto 

migliori quanto più efficace è stato il controllo della temperatura. Le reazioni di polimerizzazione 

sono esotermiche in quanto a ogni doppio legame C=C , con energia di formazione di 602 

kJ/mole, si sostituiscono due legami semplici C-C, con energia di formazione di 2.346 kJ/mole ; è 

quindi ∆H = 602 – 692 = - 90 kJ/mole. Siccome un polimero ha peso molecolare medio tanto più 

basso quanto più alta è stata la temperatura di polimerizzazione, eventuali surriscaldamenti 

localizzati portano alla formazione di macromolecole corte e con peso molecolare molto variabile 

con conseguente decadimento delle caratteristiche meccaniche. 

Per controllare la temperatura si può ricorrere alla polimerizzazione in sospensione ; il 

monomero, addizionato del catalizzatore, viene sospeso in acqua; qust’ultima, asportando il calore, 

consente di regolare la temperatura. Si può, analogamente, impiegare una polimerizzazione in 

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soluzione ; il monomero e il catalizzatore vengono disciolti in un solvente, che viene poi ricuperato 

e che consente la dispersione del calore. Si può infine utilizzare la polimerizzazione in emulsione ; 

il monomero viene finemente disperso in acqua in presenza di agenti emulsionanti del tipo dei 

saponi usando dei catalizzatori solubili in acqua; si ottengono particelle di polimero di dimensioni 

molto piccole con macromolecole ad alto peso molecolare. 

Nelle polimerizzazioni per policondensazione i reagenti, i catalizzatori, i regolatori di pH 

vengono introdotti nei reattori e riscaldati: Se si devono preparare polimeri termoindurenti si 

procede in due fasi. Nella prima si formano macromolecole non reticolate ancora fusibili che 

verranno inserite nelle polveri da stampaggio; nella seconda, che coincide con il processo di 

formatura dei componenti, si opera la reticolazione irreversibile delle macromolecole. 

PROPRIETA’ GENERALI DEI POLIMERI 

I materiali polimerici sono caratterizzati da modeste resistenze meccaniche a temperature 

elevate; solo alcuni possono essere impiegati a temperature superiori a 250°-300°C. Sono in genere 

scarsamente solubili nei comuni solventi, salvo il caso in cui la struttura chimica sia molto affine. 

Presentano una densità modesta, qualche volta inferiore a 1 g/cm 3 , di solito inferiore a 1,5 g/cm 3 ; 

solo il politetrafluoroetilene (teflon) ha densità superiore a 2 g/cm 3 . Nei prodotti espansi la densità 

apparente può scendere a 0,01 g/cm 3 . 

Da un punto di vista termico presentano una scarsa conducibilità termica e un valore elevato del 

coefficiente di dilatazione termica di cui occorre tener conto quando si debba procedere 

all’inserimento di componenti metallici. 

Le proprietà meccaniche di resistenza allo snervamento, resistenza a rottura, durezza sono in 

assoluto piuttosto modeste e variabilissime da caso a caso. Come mostra la Fig.11, si possono avere 

materiali teneri e deboli, deboli e fragili, forti e tenaci oppure forti e fragili. 

Fig. 11 

In ogni caso, come mostra la Fig.12, la resistenza a trazione varia fortemente con la 

temperatura. 

Fig. 12 

Orientativamente il carico di rottura può variare da poco 

più di 10 MPa nel polietilene a bassa densità, a 50-60 MPa nel policloruro di vinile (PVC) , a 

40-90 MPa nelle resine urea-formaldeide, a 60-90 MPa nelle resine epossidiche . In ogni caso la 

resistenza a trazione dipende anche dalla velocità con cui si incrementa il carico applicato. 

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Sui materiali polimerici si valuta anche spesso il comportamento a flessione; in genere si 

valutano la resistenza e il modulo elastico a flessione per sollecitazioni in tre punti. Il modulo 

elastico a flessione è inferiore a quello a trazione. 

Frequentemente viene anche determinata la temperatura di deflessione sotto carico per valutare 

l’attitudine a sopportare, senza deformarsi, sollecitazioni meccaniche a caldo. In pratica si valuta la 

temperatura alla quale una provetta sollecitata a flessione a carico costante e a temperature crescenti 

subisce una data inflessione; la misura serve per confrontare i materiali in ordine all’influenza della 

temperatura, del tempo e del carico sul loro comportamento. 

Può anche essere necessario conoscere la resistenza all’urto. Si valuta l’energia di rottura 

rapportata alla sezione ( J/cm 2 ) determinata con strumentazioni normalizzate, ad es. con il pendolo 

di Charpy, oppure si valuta la risposta di una superficie polimerica vincolata urtata da un dardo 

semisferico di peso noto nel corso di una prova standardizzata di “ caduta del dardo”. Con queste 

prove è possibile dedurre se il materiale si rompe in modo duttile o in modo fragile. In ogni caso è 

molto importante stabilire la variazione della resistenza all’urto con la temperatura. 

Dati assai interessanti sulle caratteristiche dinamico-meccaniche possono essere ottenuti con un 

pendolo a torsione con oscillazione libera. Dalla misura dell’ampiezza delle oscillazioni si può 

ricavare il modulo elastico a torsione dinamica; dalle variazioni delle ampiezze si determina lo 

smorzamento interno. Effettuando le misure a temperature differenti si possono individuare gli 

intervalli termici in cui i materiali sono fragili, tenaci, altamente viscoelastici e le temperature di 

transizione vetrosa o di fusione dei cristalliti. Dalla forma delle curve che registrano le oscillazioni 

del pendolo si possono distinguere i materiali termoplastici amorfi o cristallini, gli elastomeri, i 

termoindurenti. 

Per quanto concerne le proprietà elettriche si registrano nei polimeri non polari bassi valori per 

la costante dielettrica relativa e modeste perdite dielettriche poco dipendenti da temperatura e 

frequenza. L’opposto si riscontra nei polimeri che contengono dipoli elettrici permanenti dotati di 

mobilità. La conducibilità elettrica è praticamente nulla nella maggior parte dei polimeri anche se in 

tempi relativamente recenti sono stati prodotti polimeri conduttori. Ad esempio il poliacetilene 

drogato con iodio ha la stessa conducibilità elettrica del rame, ma è molto più leggero. 

Per quanto riguarda le proprietà tecnologiche i polimeri sono facilmente formabili e, in 

conseguenza della loro modesta durezza, sono facilmente lavorabili alle macchine utensili. Possono 

infine essere agevolmente giuntati, incollati, saldati e brasati. 

ADDITIVI PER MATERIE PLASTICHE 

Gli oggetti realizzati con i materiali polimerici contengono, oltre alle macromolecole, sostanze 

aggiunte per migliorare alcune caratteristiche o per abbassare i costi. 

I plastificanti, di solito esteri organici, diminuiscono le forze attrattive tra le catene 

polimeriche dei polimeri termoplastici, specie di quelli, come il policloruro di vinile (PVC), che 

contengono dipoli permanenti; i plastificanti non devono essere volatili, non devono essudare, 

devono essere insolubili nei solventi, non essere tossici ed essere stabili alla luce e al calore; così 

facendo migliorano flessibilità e morbidezza dei manufatti. 

I rinforzanti sono costituenti che migliorano la resistenza a trazione , a flessione, all’usura, alle 

alte temperature, all’urto. Sono costituiti da particelle, placchette, fibre corte o lunghe di natura 

inorganica disperse omogeneamente nella matrice polimerica oppure concentrate nelle zone più 

sollecitate. Le fibre, usualmente di vetro o di carbonio, possono costituire dal 7 al 50 % del 

prodotto che ha come matrice poliammidi, polipropilene, poliesteri termoindurenti insaturi, resine 

acetaliche. Questi polimeri rinforzati costano il 20 –30 % in più rispetto ai polimeri non rinforzati. 

Le loro capacità di rinforzare dipendono dalla natura della interazione chimico-fisica che si instaura 

tra matrice e rinforzanti ( v. materiali compositi). 

Le cariche o riempitivi vengono aggiunte in primo luogo per ridurre i costi trattandosi di 

materiali poveri, scarti di altre lavorazioni : caolino, talco, mica, polvere di marmo, farina di legno. 

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Si aggiungono sistematicamente ai polimeri termoindurenti e al PVC migliorandone la resistenza 

termica, la stabilità dimensionale, la tenacità, la resistenza a trazione e all’abrasione. 

Gli antiossidanti ( o stabilizzanti ) vengono aggiunti per migliorare la stabilità verso gli agenti 

atmosferici contrastando il degrado provocato dall’ossigeno e favorito dalla luce e dal calore. Sono 

sostanze a base di sali di piombo o di saponi di Ba, Ca, Zn in grado di assorbire radiazioni 

ultraviolette e di migliorare la resistenza alle alte temperature di elaborazione e di esercizio. 

I lubrificanti migliorano la lavorabilità del materiale facilitando lo scorrimento del fuso negli 

stampi e impedendo il suo surriscaldamento per attrito interno; sono di solito costituiti da stearati di 

Ca, Mg, Zn, Al . 

I coloranti e i pigmenti vengono aggiunti con funzione estetica. I pigmenti sono ossidi 

inorganici tipo TiO2 , Fe2O3, ZnO, stabili alla luce e al calore, ma opachi; oppure sono di natura 

organica, disponibili in molti colori, brillanti, ma relativamente meno resistenti alla luce e al calore 

e usati per colorare materiali trasparenti o traslucidi. 

Per applicazioni particolari si possono infine aggiungere sostanze ad azione antistatica, 

ignifuga, porofora, rigonfiante ( per polimeri espansi ). 

TECNOLOGIE DI LAVORAZIONE DEI MATERIALI TERMOPLASTICI 

Stampaggio per iniezione. E’ un procedimento analogo alla pressofusione dei metalli ed è 

riservato ai materiali termoplastici. Questi materiali vengono caricati in un cilindro di 

plastificazione dove fondono; la massa fluida viene iniettata attraverso uno o più ugelli in uno 

stampo freddo dove solidifica. Quando il componente è irrigidito viene espulso dallo stampo. Le 

pressioni e le temperature del processo variano con la natura del polimero. Ad esempio : 

PVC 1000 - 2500 kgf/cm 2 (atm) 140° -150°C 

Polistirene 700 - 2000 “ 170° - 200° 

Polietilene 350 - 1200 “ 180° - 250° 

Poliammidi 400 - 1200 “ 260°- 270° 

Lo stampaggio a iniezione è quello più usato per realizzare componenti per l’auto. Una 

evoluzione interessante è lo stampaggio di manufatti a due strati, realizzato con due unità di 

alimentazione - Fig. 13 -; uno strato, introdotto per primo, è quello di finitura; il secondo è invece il 

supporto interno. Un’altra possibilità è costituita dal sovrastampaggio; il processo comporta due 

stampaggi successivi a iniezione, il secondo dei quali è quello di rivestimento. I vantaggi dello 

stampaggio a iniezione sono la produttività elevata, la buona qualità estetica delle superfici 

(goffratura), nessun sfrido di lavorazione, tolleranze, ovvero variazioni dimensionali, contenute; gli 

svantaggi consistono nel costo elevato degli stampi e nei tempi lunghi necessari per il loro 

approntamento. Con questi procedimenti si producono plance, paraurti, elettroventilatori, 

appoggiabraccia. 

Termoformatura. Un foglio rigido di materiale termoplastico spesso 2-4 mm fissato su un 

supporto viene riscaldato mediante raggi infrarossi per alcuni minuti per ogni millimetro di spessore 

fino a 180° - 220°C e poi formato su uno stampo o con un punzone o mediante pressione e 

aspirazione di aria, o combinando i due metodi. Il pezzo formato viene tranciato dalla cornice. Si 

impiegano polimeri stirenici o loro copolimeri, polimeri acrilici, vinilici, cellulosici, polipropilene, 

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polietilene. I vantaggi del processo sono il basso costo degli stampi e la rapidità del loro 

approntamento. Si producono con esso rivestimenti estetici per plance, pannelli porta schiumati, 

rivestimenti dei bauli, fianchetti posteriori. Con questo procedimento si possono anche produrre 

manufatti in resine polipropilenica, polietilenica, poliammidica, poliestere rinforzati con 30 – 40 % 

di fibre di vetro disposte casualmente o unidirezionalmente. Si ottengono componenti strutturali con 

modulo elastico a flessione di 5000-6000 MPa che consentono una notevole riduzione di peso 

rispetto alle lamiere metalliche. Si possono impiegare per supporti di batterie, schermi 

insonorizzanti, tetti apribili. I cicli di stampaggio sono veloci anche nel caso di forme complesse; un 

problema è la scarsa esteticità delle superfici dovuta all’affioramento delle fibre. 

Estrusione. E’ un processo continuo che consente di ottenere prodotti finiti o semilavorati. Il 

materiale, per lo più termoplastico, e talvolta termoindurente a consolidamento ritardato, riscaldato 

fino ad assumere la consistenza di un liquido viscoso viene costretto da una vite senza fine (vedi fig. 

14), che esercita una pressione dell’ordine di 10 MPa, a passare attraverso un bocchettone che lo 

conforma dal quale, a seguito di un energico raffreddamento, esce già rigido. Si utilizzano PVC, 

rigido o plastificato, polietilene, poliammidi, acetil butirrato, poliossifenilene. I vantaggi del 

processo sono legati a costi di lavorazione modesti; esso è però adatto solo per produrre componenti 

di forma semplice e costante. Si ottengono per estrusione fili, cavi elettrici, fogli, tubi, profilati ( ad 

esempio il contorno del parabrezza), tubazioni per la circolazione del carburante e dell’acqua. 

Estrusione con soffiatura. E’ un processo che viene adottato per produrre corpi cavi. Da un 

estrusore verticale esce un elemento tubolare riscaldato alla temperatura di rammollimento che 

viene introdotto in uno stampo chiuso che riproduce la forma dell’oggetto; attraverso il tubo, che 

può essere di polietilene, PVC, poliammide, viene soffiata dell’aria che dilata il materiale 

polimerico fino a farlo aderire allo stampo. Si possono con questo sistema anche produrre fogli 

tubolari continui di spessore dell’ordine di 0,01-0,02 mm in politene o in PVC; l’aria compressa 

viene inviata con continuità e la vescica formatasi viene presa e stirata tra due cilindri di gomma, 

subendo in tale circostanza un orientamento rinforzante delle catene polimeriche. Con questo 

procedimento si possono produrre corpi cavi monoblocco, con forma anche complessa, ad esempio 

serbatoi per il carburante senza saldature. 

Calandratura. Con questo processo si ottengono fogli di materiale polimerico; i polimeri, mescolati 

con plastificanti, coloranti, pigmenti, stabilizzanti, cariche, vengono rammolliti termicamente e fatti 

passare tra cilindri rotanti fino a ottenere fogli spessi qualche decimo di millimetro. Nella fase 

conclusiva possono essere impresse goffrature di finitura estetica, oppure i fogli possono 

incorporare tessuti, carta, reti metalliche. Si impiegano PVC plastificato, polietilene, polipropilene, 

ABS (copolimero Acrilonitrile, Butadiene, Stirene) per ottenere finte pelli o lastre termoformabili. 

13


TECNOLOGIE DI LAVORAZIONE DEI MATERIALI TERMOINDURENTI 

Stampaggio per iniezione. Il procedimento è analogo a quello per i materiali termoplastici salvo il 

ricorso a uno stampo riscaldato. Una mescola costituita da resina, rinforzanti, cariche, additivi, 

viene plastificata a caldo e trasferita attraverso degli ugelli sotto pressione nello stampo riscaldato; 

la viscosità, inizialmente modesta, aumenta progressivamente all’aumentare della reticolazione. 

Con cicli abbastanza veloci, dell’ordine di un minuto per millimetro di spessore, si ottengono, con 

questo processo, elementi complessi anche di grosse dimensioni, ad es. il portellone dell’auto; 

l’inconveniente principale è il costo degli stampi e il lungo tempo necessario per la loro messa a 

punto. Una variante del processo è costituita dall’inietto-reazione nel corso della quale due 

componenti liquidi, ad es. polialcoli e diisocianati destinati alla produzione di materiali 

poliuretanici, vengono miscelati e iniettati a bassa pressione in uno stampo dove reticolano e 

solidificano. Nei liquidi possono essere disperse fibre corte di vetro rinforzanti; si possono in ogni 

caso ottenere componenti di forma e geometria non semplice, ad esempio paraurti; il ciclo di 

lavorazione è un po’ lungo, richiedendo da 2 a 3 minuti. 

Compressione. La pressa agisce su due semistampi riscaldati a 140° - 180°C, uno fisso e uno 

mobile, fissati ciascuno a uno dei piatti della pressa. Fra i due semistampi viene interposta una 

stuoia impregnata di materiale plastico oppure materiale in polvere o granulato (Fig.15). Alla 

chiusura dello stampo il materiale, spesso costituito da poliestere, viene fluidificato, compattato e 

reticolato; trattandosi di materiale a modesta conducibilità termica occorre mantenere la pressione 

per circa 1’ per ogni mm di spessore. Come criterio generale si ricorre a temperature elevate e a 

tempi brevi per componenti piccoli e semplici e a temperature basse e tempi lunghi, per consentire 

lo riempimento degli stampi, nel caso di pezzi di grosse dimensioni, spessi, accidentati. I 

componenti possono essere alleggeriti favorendo la presenza di cavità al loro interno. Le condizioni 

operative dipendono anche dal materiale utilizzato; ad esempio: 

resine fenoliche con farina di legno 150-200 atm 150°-180°C 

resine fenoliche con fibre e tessuti 400-800 atm 150°-180°C 

resine ureiche 200-300 atm 135°-150°C 

resine melamminiche 400-500 atm 130°-145°C 

Si ottengono materiali con buone caratteristiche meccaniche, dotati di eccellente finitura 

superficiale e quindi verniciabili, adatti per parafanghi, paraurti, portelloni; anche in questo caso il 

problema principale è il costo per l’approntamento degli stampi. Una variante del processo è 

l’inietto compressione con la quale l’impasto di resina poliestere insatura, cariche minerali, rinforzo 

di fibre di vetro viene iniettato lateralmente in uno stampo, collocato in una pressa verticale, 

leggermente aperto e che viene successivamente chiuso. Il ciclo ha una produttività che è circa il 

doppio di quella dell’iniezione; si preparano componenti con tolleranze dimensionali molto 

contenute, con buona finitura superficiale anche se le caratteristiche meccaniche sono inferiori a 

quelle ottenute per compressione a causa della minore lunghezza delle fibre rinforzanti vetrose. 

14


Poltrusione. E’ una sorta di estrusione-trafilatura nel corso della quale un rinforzo fibroso di vetro, 

preimpregnato con una resina liquida termoindurente, in forma di filo continuo, di tessuto, di 

materassino, viene tirato attraverso uno stampo riscaldato. Il materiale esce dallo stampo 

sufficientemente reticolato da sopportare l’operazione di traino. Lavorando a una temperatura di 

90°-150°C con resine liquide epossidiche o poliestere, vinilestere, fenoliche si possono produrre 

circa 2 m al minuto di materiale contenente dal 40 al 70% in peso di rinforzante. I costi di 

lavorazione sono contenuti, ma si possono ottenere solo profilati senza variazione di forma, 

utilizzabili ad esempio, per le traverse dei paraurti o per elementi della sospensione. 

Stampaggio rotazionale. Viene impiegato per realizzare corpi cavi, taniche, valigie, serbatoi anche 

della capacità di 10 m 3 . Lo stampo è diviso in due parti; viene introdotto il polimero in polvere; si 

chiude lo stampo, lo si pone in rotazione e lo si riscalda; il polimero rammollisce e si adagia sulla 

superficie senza venire centrifugato. 

MATERIALI POLIMERICI ESPANSI 

Sono materiali a struttura cellulare caratterizzati da una densità apparente molto bassa usati come 

isolanti termici e acustici, nell’imballaggio, nell’arredamento. Vengono prodotti favorendo lo 

sviluppo di sostanze gassose durante la polimerizzazione a seguito della decomposizione termica di 

qualche costituente o dello sviluppo di prodotti di reazione volatili o dell’evaporazione di solventi. 

Si può anche incorporare dell’aria insufflandola sotto pressione nel polimero plastico oppure 

agitando quest’ultimo in presenza di agenti schiumogeni. A seconda del metodo di elaborazione le 

microcavità introdotte possono essere o intercomunicanti tra loro e con l’esterno oppure chiuse. 

PROGETTAZIONE DI COMPONENTI IN MATERIALE POLIMERICO 

Nella progettazione di componenti in materiale polimerico occorre tener conto che le loro 

caratteristiche sono influenzate dal processo di trasformazione, dalle temperature di esercizio, dagli 

agenti chimici con cui vengono a contatto. 

Rispetto ai metalli, che intendono spesso sostituire, hanno il vantaggio di una minore 

densità, di essere insonorizzanti, di resistere meglio alla corrosione, di smorzare più efficacemente 

le vibrazioni meccaniche, di essere, talvolta, trasparenti, di avere proprietà autolubrificanti, di essere 

colorabili in massa e non solo in superficie, di essere facilmente formabili, di costare poco. Sono 

invece inferiori per quanto concerne le caratteristiche meccaniche a trazione e a flessione, il 

coefficiente di dilatazione termica, che è più elevato, la resistenza alle alte temperature, che è 

nettamente inferiore, la maggiore fragilità alle basse temperature, l’infiammabilità, la capacità di 

assorbire solventi o liquidi organici, la degradabilità per effetto della luce. 

Tenuto conto di queste valutazioni nella fase di progettazione occorre aver presenti il tipo e 

l’entità delle sollecitazioni meccaniche che dovranno sopportare (carico continuo, intermittente, 

accidentale); le temperature minime e massime di funzionamento; l’ambiente in cui dovranno 

operare (acqua, liquidi vari, luce, agenti atmosferici); requisiti di finitura superficiale richiesti; il 

procedimento di formatura da adottare; il costo del materiale, delle operazioni di trasformazione, 

della prototipazione; lo smaltimento a fine vita del componente. 

Per quanto concerne gli aspetti meccanici della progettazione occorre ricordare che quasi 

tutti i materiali termoplastici presentano uno snervamento graduale (Fig.16a); altri quali il 

polistirene, gli acrilici, i termoplastici rinforzati presentano uno snervamento brusco(Fig.16b); altri 

ancora come quelli termoindurenti, non mostrano alcun snervamento(Fig.16c). Per quanto riguarda 

la loro tenacità si può avere un’indicazione orientativa dalla misura dell’area sottesa nelle curve 

15


carichi-allungamenti. Occorre però ricordare che l’andamento della curva σ/ε dipende, specie nei 

materiali termoplastici, dalla velocità di deformazione Fig.17. Forte è in ogni caso, specie nei 

termoplastici, la dipendenza delle proprietà dalla temperatura. Tutte le proprietà meccaniche, salvo 

la resilienza, diminuiscono all’aumentare della temperatura; se la temperature scende invece al di 

sotto di 0°C aumenta il modulo elastico, ma si riduce l’allungamento a rottura( Fig.18). 

Se si progettano componenti destinati a sopportare sollecitazioni per tempi lunghi occorre 

valutarne la resistenza al creep, sapendo che nei materiali polimerici il fenomeno è rilevante anche a 

basse temperature. Se la sollecitazione è costante l’allungamento aumenta con il tempo fino a 

quando, anche per carichi modesti, il materiale si rompe. Se invece deve essere costante la 

deformazione si osserva che il carico necessario a mantenerla diminuisce nel tempo; si osservano 

allora fissaggi che perdono il tiro e cominciano a “ballare”; è pertanto preferibile non lasciare a 

lungo i materiali polimerici sotto carico, neppure a temperature ambiente, salvo il caso in cui siano 

stati adeguatamente rinforzati. 

16


Se si tiene presente che il grado di cristallinità influenza le proprietà meccaniche e se si 

vogliono ottenere componenti con cristallinità omogenea ed elevata è necessario evitare, specie nei 

processi di iniezione, sia la presenza di inserti metallici massicci che, a causa della loro elevata 

conducibilità termica, asportano troppo calore, negando alle macromolecole il tempo per assumere 

un assetto ordinato, sia brusche variazioni di sezione che creano flussi di materiale che disturbano la 

formazione di strutture parzialmente cristalline. 

Un altro aspetto progettuale importante concerne le tolleranze ammesse; per garantire 

l’intercambiabilità dei componenti occorre che i manufatti abbiano dimensioni costanti. E’ pertanto 

necessario definire le tolleranze di lavorazione e tener conto delle variazioni dimensionali che si 

verificano nel corso dell’impiego. Durante la produzione sono da prendere in considerazione le 

tolleranze legate agli stampi e quelle conseguenti al ritiro durante il raffreddamento. Esse sono 

influenzate dalla natura del materiale, dalla forma dei pezzi, dalla costruzione dello stampo, dalla 

costanza dei parametri di produzione. Con i materiali termoindurenti il ritiro è molto basso e 

regolare; con i materiali termoplastici ad alto grado di cristallinità è rilevante, ma regolare; in quelli 

semicristallini è elevato e irregolare e differente a seconda che lo si valuti parallelamente o 

trasversalmente alla direzione del flusso; nei termoplastici rinforzati il ritiro è contenuto, ma 

influenzato dalla direzione di posizionamento delle fibre. Orientativamente le riduzioni di volume 

di alcuni polimeri nel corso del raffreddamento sono della seguente entità: 

Materiale T iniziale T finale riduzione di volume % 

Polietilene (d=0,91) 190°C 20°C 18 

Nailon 66 285°C 20°C 14 

Nailon 6 260°C 20°C 13 

Polistirene 195°C 20°C 7 

Poliacrilici 150°C 20°C 7 

I ritiri sono tanto più consistenti quanto più il polimero è cristallino. 

In ogni caso è necessario controllare con cura la costanza della temperatura sia della massa fusa sia 

degli stampi e ricordare che, se si devono posizionare inserti metallici, i materiali polimerici hanno 

coefficienti di dilatazione termica che sono 10 volte superiori a quelle dei metalli per i materiali 

termoplastici e almeno il doppio per quelli termoindurenti e che si deve tener conto delle 

temperature previste in esercizio. Variazioni dimensionali possono infine essere conseguenti 

all’assorbimento di umidità o di altre sostanze liquide. 

La progettazione deve prendere in considerazione anche i requisiti estetici richiesti 

potendosi optare tra una pigmentazione in massa e una verniciatura. La pigmentabilità è peculiare ai 

materiali termoplastici; le tinte scure sono meno sensibili al fotoinvecchiamento con quest’ultimo 

che è minimo per le resine metacriliche, superiore per le policarbonatiche, PVC, poliammidiche. 

Per quanto concerne i rinforzanti quelli fibrosi rendono la superficie disomogenea per l’affiorare 

delle fibre mentre quelli in polvere (talco, farina di legno) consentono una finitura discreta. 

Se si ricorre alla verniciatura la scelta del polimero è subordinata alla temperatura di 

essiccazione degli smalti. Nelle verniciature in linea a ciclo completo, nelle quali i componenti sono 

assemblati e poi passati nei forni di polimerizzazione del fondo anticorrosione, sono utilizzati solo i 

materiali termoindurenti. Nella verniciatura a ciclo parziale, nelle quali i componenti sono 

assemblati a valle dell’elettrodeposizione del fondo anticorrosione, sono impiegati anche alcuni 

termoplastici rinforzati (poliestere e poliammidi) e non rinforzati (poliestere). Sono stati finiti 

superficialmente in questo modo parafanghi, paraurti, portelloni, sportelli carburante, griglie esterne 

di presa d’aria. Al riguardo si deve osservare che la vernice influenza la resistenza all’urto del 

componente agendo come zona di innesco di intagli che riducono la deformabilità del materiale 

polimerico. 

17


Nel caso di verniciature fuori linea si possono ricoprire quasi tutti i materiali termoplastici 

dopo aver eventualmente trattato le loro superfici con raggi ultravioletti o con fiammature per 

facilitare l’adesione delle vernici. 

Per gli arredi interni dell’abitacolo, ad esempio la plancia, si ricorre ad una pigmentazione in 

massa preferendo colorazioni scure che più efficacemente contrastano l’invecchiamento da 

radiazioni luminose. Sono adatti polimeri polipropilenici e polistirenici. Poiché è difficile ottenere 

lo stesso colore con materiali polimerici differenti è preferibile aggirare il problema ricorrendo a 

finiture di contrasto con colori diversi; talvolta può risultare opportuna una goffratura superficiale 

che maschera bene i difetti. 

In fase progettuale occorre anche tener presenti le esigenze produttive. In questo senso si 

devono evitare spigoli vivi e curare la gradualità dei raccordi per ridurre concentrazioni di 

sollecitazioni che potrebbero innescare rotture e per facilitare l’estrazione dei componenti dagli 

stampi. Si raccomandano raccordi con raggio di curvatura di almeno 0,5-1mm e con un rapporto tra 

raggio di curvatura e spessore uguale a 0,6. Inoltre i componenti devono avere, per quanto possibile, 

spessore costante o almeno variabile con continuità. Al riguardo si precisa che nervature e rinforzi 

permettono di accrescere la rigidità senza che sia necessario aumentare lo spessore, favoriscono il 

flusso del materiale durante lo stampaggio e prevengono distorsioni al raffreddamento. Per 

agevolare la sformatura di componenti profondi è opportuno prevedere una conicità dell’ordine di 

4°. 

Se occorre praticare dei fori questi possono essere ottenuti in fase di stampaggio, avendo 

cura di distanziarli di un intervallo superiore al loro diametro e sapendo che quelli ciechi sono più 

difficili da gestire di quelli passanti. Se è necessario introdurre degli inserti metallici, per consentire 

il fissaggio dei componenti, bisogna costamparli e fare in modo che non ruotino né fuoriescano; 

l’inserimento è sconsigliabile nei materiali plastici amorfi non rinforzati specie se sono previste 

variazioni cicliche di temperatura o contatti con agenti chimici aggressivi. Si possono invece 

conseguire risultati soddisfacenti impiegando resine rinforzate con fibre di vetro che dilatano poco e 

presentano elevate resistenze meccaniche. Occorre in ogni caso usare inserti lisci o con scanalature 

semplici, prive di spigoli vivi, ben puliti. 

In alcuni casi si può anche evitare di introdurre gli inserti durante lo stampaggio, ma 

prevederne l’applicazione in tempi successivi riducendo in questo modo le tensioni residue. Si 

possono anche impiegare viti autofilettanti, che sopportano 5-10 montaggi, e che impiegano viti con 

una scanalatura tagliente sulla generatrice. 

Un altro problema concerne la rumorosità che si manifesta con cigolii e scricchiolii quando si 

accoppiano due materiali polimerici. L’inconveniente viene contenuto riducendo al minimo le 

tolleranze dimensionali da stampaggio e la dilatazione termica. Se è previsto un contatto con 

strisciamento occorre evitare l’impiego di materiali plastici uguali oppure, se non vi sono 

controindicazioni di natura estetica, introdurre prodotti con proprietà lubrificanti, tipo grafite, 

siliconi, MoS2. 

Per quanto concerne il problema dell’assemblaggio si hanno diverse soluzioni. L’innesto a 

scatto, basato sull’inserimento di un elemento plastico in una sede metallica o plastica, per il quale 

la deviazione ammissibile dipende dalla geometria , dall’allungamento a rottura, dal limite di 

snervamento dell’elemento; è un metodo non adatto per i polimeri termoindurenti che presentano 

modesti allungamenti. Si può in alternativa effettuare una ribaditura nella quale il rivetto può essere 

o un elemento separato o appartenere di stampaggio a uno dei due pezzi. 

Si possono anche assemblare componenti mediante saldature a tenuta idraulica realizzate fra 

elementi dello stesso materiale polimerico: Si possono a tal fine impiegare piastre calde, che 

agiscono per pochi secondi con pressioni di 0,1 kgf/cm 2 , ad es. per realizzare il serbatoio di 

espansione del radiatore; si può anche saldare con un filo caldo inserendo un filo metallico resistivo 

tra le parti bloccate che vengono localmente portate a fusione dal calore sviluppato dal filo percorso 

da corrente elettrica e con il filo che rimane poi incorporato nella saldatura; in alternativa si può 

impiegare un filo metallico riscaldato a induzione. 

18


Si possono anche usare, come sorgente di calore, le perdite dielettriche: fogli flessibili di PVC 

premuti con pressioni dell’ordine di 50 kgf/cm 2 sono poste tra due elettrodi collegati a un generatore 

di radiofrequenze a 100 – 200 MHz; si saldano così rivestimenti di sedili, pannelli porta, pantine 

parasole. Per componenti di grosse dimensioni il riscaldamento può essere ottenuto con gas caldi 

impiegando materiale di apporto uguale a quello dei componenti; si utilizza azoto portato a 280° per 

PVC e polietilene, 300°C per il polipropilene, 330°C per le resine acetaliche. Si può anche 

procedere attraverso uno strisciamento rotazionale o lineare dove il calore per la fusione 

superficiale è ottenuto, nel breve tempo di 2 - 3 secondi, grazie all’attrito. Si saldano così gli sfiati 

cilindrici riportati su serbatoi per il carburante e pezzi di dimensioni rilevanti di forma irregolare. Si 

possono infine impiegare gli ultrasuoni per congiungere materiali termoplastici; si focalizza nella 

zona di saldatura un fascio di onde ultrasonore e si premono l’un contro l’altro i pezzi; 

all’interfaccia le vibrazioni provocano sviluppo di calore fino alla fusione; si possono ad es. saldare 

così la parte trasparente e il corpo retrostante dei fanali. 

Una strada differente per l’assemblaggio ricorre all’impiego di solventi o di adesivi. 

L’assemblaggio con solventi è utilizzabile solo con i termoplastici amorfi che sono più solubili; si 

bagnano le superfici con il solvente, le si preme con una pressione di 1 – 5 kgf/cm 2 e si fa evaporare 

il solvente a 50° - 60°C. L’incollaggio con adesivi è usato per i polimeri termoindurenti e, 

raramente, per i termoplastici cristallini. Si impiegano adesivi sotto forma di liquidi, di film, che 

induriscono a freddo e a caldo, con o senza pressione e che alla fine sono termoplastici o 

termoindurenti. 

CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI POLIMERICI 

Vengono ora passati in rassegna i più comuni materiali polimerici: 

Termoplastici : Polietilene o politene (PE) ; polipropilene (PP) ; polistirene (PS) ; 

polimetilmetacrilato (PMMA) ; polivinilcloruro (PVC) ; Poliacrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) ; 

poliacrilonitrile (PAN) ; polietilentereftalato (PET) . Alcuni polimeri termoplastici sono anche 

chiamati tecnopolimeri : poliammidi (PA) ; policarbonato (PC) ; polibutilentereftalato (PBT) ; 

politetrafluoroetilene (PTFE) . 

Termoindurenti : fenolo/formaldeide ; poliesteri saturi e insaturi ; epossidiche ; urea/formaldeide ; 

melammina/formaldeide. 

Orientativamente i costi sono di meno di 2 dollari/kg per tutti i polimeri; i tecnopolimeri costano 

invece fino a 5 dollari/kg. 

Polietilene ( o politene) - PE - monomero CH2=CH2 . Si ottiene per polimerizzazione del gas 

etilene. Si può operare a pressioni di 1000 – 2000 atmosfere e a temperature di 100°- 300°C e 

ottenere macromolecole ramificate e quindi un prodotto a bassa densità (0,91-0,93 g/cm 3 ), LDPE, 

e con carico di rottura di 8-16 MPa, oppure operare a 1 - 70 atmosfere e a 50°- 200°C e ottenere 

macromolecole lineari ad alta cristallinità con una densità di 0,95-0,96 g/cm 3 e con carico di 

rottura di 25-35 MPa , HDPE. 

Presenta ottima resistenza agli agenti chimici e ai solventi; degrada sotto l’effetto delle 

radiazioni ultraviolette della luce; ha una limitata resistenza termica in quanto rammollisce attorno 

ai 100°C, ha costi molto contenuti. Ha molte applicazioni nel campo autoveicolistico; una 

importante è quella del serbatoio del carburante. 

Polipropilene (PP) ; monomero CH2=CH-CH3 . E’ il materiale termoplastico per impieghi 

strutturali meno costoso; ha una densità molto contenuta, pari a 0,9 g/cm 3 ; può dare polimeri 

isotattici, atattici, sindiotattici; quelli isotattici (moplen) hanno carico di rottura di 30-40 MPa e 

resistono fino a 150°C. Queste proprietà sono ulteriormente migliorabili se si aggiungono cariche e 

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rinforzanti. Presenta però un ritiro elevato allo stampaggio e una tendenza allo sbiancamento se 

esposto alla luce, per cui è necessario additivarlo di stabilizzanti e di sostanze coloranti molto scure. 

Trova applicazioni in campo autoveicolistico per paraurti, dopo averlo modificato con elastomeri, 

plance rigide, filtri aria, contenitori per fluidi vari, carcasse per batterie. 

Polistirene (o,impropriamente,polistirolo); (PS) ; monomero C6H5-CH=CH2. Polimero amorfo, 

trasparente, duro, con carico di rottura di 40-50 MPa, fluido a caldo e quindi adatto allo 

stampaggio per iniezione; usato in forma espansa come isolante termico e acustico. Impiegato in 

numerosi copolimeri , ad es. con il butadiene CH2=CH-CH=CH2 per dare l’elastomero SBR o 

con acrilonitrile , CH2=CH-CN, e butadiene per dare il copolimero ABS che, come il polistirene, 

mostra una discreta resistenza all’urto, buone proprietà meccaniche, salvo l’allungamento elastico 

che è modesto; è molto impiegato in applicazioni estetiche perché garantisce una buona finitura 

superficiale. 

Resine poliacriliche. Sono polimeri degli esteri dell’ac acrilico CH2=CH-COOR e dell’acido 

metilacrilico (o metacrilico) CH2=C-COOR. Il polimetacrilato di metile ( R = -CH3) ha sigla 

CH3 

PMMA, carico di rottura di 60-80 MPa, indice di rifrazione molto alto per cui costituisce una sorta 

di vetro organico (plexiglas). Queste resine sono facilmente stampabili, resistono bene alla luce, ma 

si screpolano a contatto con la benzina e devono essere montate senza venire deformate o 

sollecitate. 

Resine poliviniliche. Le più importanti sono il policloruro di vinile (PVC);monomero CH2=CH-Cl 

e l’acetato di polivinile (PVAc), monomero CH3-COO-CH=CH2. Il più importante è il PVC, un 

polimero duro, che può diventare morbido e flessibile in presenza di plastificanti, molto resistente al 

calore e alla fiamma. La presenza di plastificanti, nella misura del 50 % in peso, ne abbassa la 

temperatura di transizione vetrosa da circa 100°C a circa - 40°C. In campo autoveicolistico trova 

applicazione nell’isolamento di cavi elettrici, nella forma estrusa; per produrre finta pelle e laminati, 

nella forma calandrata; per produrre guarnizioni di tenuta, cuffie parapolvere, nella forma stampata 

a iniezione. L’acetato di polivinile viene usato come filmogeno nella produzione di vernici. 

Resine fluorurate. La più importante è il politetrafluoroetilene, monomero CF2=CF2 , sigla PTFE. 

E’ un polimero lineare altamente cristallino, impiegabile a temperature insolitamente alte, 330°- 

350°C. Viene ottenuto per sinterizzazione di polveri compresse o estruse a freddo e poi riscaldate a 

370°C. Presenta una eccezionale inerzia chimica, ha ottime proprietà meccaniche ed elettriche fino 

ad almeno 250°C, è piuttosto costoso e difficile da lavorare. Trova impiego in applicazioni 

sofisticate e impegnative. E’ conosciuto come teflon. 

Resine poliammidiche , sigla PA; derivano dalla policondensazione di singoli monomeri tipo 

H2N-(-CH2-)5-COOH (polimero: nailon 6) o di due diversi monomeri tipo H2N-(-CH2-)6-NH2 e 

HOOC-(-CH2-)4-COOH (polimero: nailon 6,6). Presentano elevata cristallinità, temperature di 

fusione elevate, 250°-260°C, alti carichi di rottura e buona resistenza all’abrasione. Sono quindi 

tecnopolimeri per eccellenza dotati anche di ottima verniciabilità. Sono di costo relativamente 

elevato e vengono impiegati in organi meccanici : sedi per teste a snodo, boccole, inserti per dadi 

autobloccanti, zoccoli portalampade, sportello di ricoprimento del bocchettone, coppe delle ruote. 

Vi è anche un forte consumo di poliammidi sotto forma di fibre, ad es. nei tappeti e nella moquette 

interna all’autoveicolo, nelle cinture di sicurezza. H 

Resine poliacetaliche. Sono ottenute per polimerizzazione dell’aldeide formica H-C=O o del 

triossano e quindi nel polimero è presente una catena -O-CH2-O-CH2-O-CH2- 

Mostrano elevato grado di cristallinità e ottime caratteristiche meccaniche e di 

resistenza all’usura anche a temperature elevate. Si tratta di prodotti ottimi , ma costosi, difficili da 

stampare, se il componente ha grosse dimensioni; esposti alla luce tendono a sfarinare per cui 

occorre pigmentarli di nero. Vengono impiegati per realizzare boccole, organi 

sottoposti a stiramento, maniglie. 

Polifenilenossido (PPhO) ; è un tecnopolimero che ha come unità il raggruppamento 

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Resiste chimicamente molto bene agli idrocarburi; può essere copolimerizzato al 50 % con 

polistirene ed essere impiegato fino a 100°-120°C. Viene utilizzato nella costruzione dei cruscotti e 

nell’arredamento interno degli autoveicoli. 

Resine cellulosiche. La cellulosa è un polimero naturale di formula ( C6H10O5 )n , contenente in 

ciascun monomero tre gruppi alcolici -OH che possono essere esterificati da un acido. Se l’acido è 

l’ac.nitrico si ottiene la nitrocellulosa che è un esplosivo, ma che, se viene addizionata di 25-30 % 

di canfora, origina la celluloide. Se l’acido è l’ac.acetico si ottiene l’acetato di cellulosa, un prodotto 

ininfiammabile, facilmente stampabile, con un’ottima finitura superficiale, ma con limitate 

caratteristiche meccaniche e di stabilità al calore. Viene impiegato per realizzare profilati decorativi. 

Questo polimero viene spesso fortemente caricato con riempitivi e rinforzanti e assume allora il 

nome di bachelite. Queste resine termoindurenti, come quelle melamminiche e ureiche, presentano 

ottime proprietà dielettriche ed elevata resistenza al calore, mentre sono poco resistenti all’urto. 

Vengono impiegate in parti elettriche, ad es. per realizzare la calotta per la distribuzione 

dell’accensione. 

Resine poliestere. Si ottengono per condensazione di polialcoli con poliacidi; si dividono in 

poliesteri saturi, insaturi e modificati ( o alchidici). Esempio di poliestere saturo : 

Questi poliesteri sono termoplastici, hanno costi elevati e presentano difficoltà di stampaggio; 

hanno caratteristiche meccaniche e termiche molto buone; i componenti sono verniciabili in linea a 

140°C;vengono impiegati nei paraurti, nelle serrature delle porte e usati anche come fibre sintetiche. 

Esempio di poliestere insaturo : 

HOOC-CH=CH-COOH (ac.maleico) + HO-CH2-CH2-OH ( etandiolo ) ; si ottiene : 

-O-CO-CH=CH-CO-O-CH2-CH2-O-CO-CH=CH –CO- , polietilenmaleato. 

Questa resina primaria contenente doppi legami viene reticolata copolimerizzandola con stirene. Le 

resine poliestere rinforzate con fibre di vetro presentano un carico di rottura superiore a 100 MPa , 

buone caratteristiche termiche e un’ottima finitura superficiale; vengono utilizzate per produrre 

paraurti, parafanghi e, specialmente, portelloni. 

Un poliestere importante è il policarbonato, (PC),ottenuto formalmente policondensando acido 

carbonico e bifenoli 

21


Si tratta di un tecnopolimero con caratteristiche generali simili a quelle degli altri poliesteri , di 

costo inferiore, ma meno resistente alle alte temperature. Viene utilizzato per realizzare paraurti 

verniciati fuori linea, lenti di fari, carcasse per batterie. 

Fra i poliesteri devono ancora essere citate le resine alchidiche ottenute policondensando acidi 

policarbossilici e polialcoli, uno dei quali contenente più di due gruppi reattivi ( es. glicerina o 

propantriolo) da impegnare per la copolimerizzazione e per la reticolazione. Sono prodotti duri e 

fragili che possono essere modificati per dare materiali utilizzabili per la produzione di vernici. 

Resine epossidiche. Si ottengono da monomeri che contengono il gruppo epossidico , 

ad es. l’epicloridrina , che vengono prima polimerizzati e poi 

copolimerizzati e reticolati con poliammine o con acidi bicarbossilici. 

Resistono bene al calore e agli attacchi chimici, mostrano un’ottima adesività nei riguardi di molti 

materiali e sono quindi impiegate in giunzioni metallo-metallo o metallo-materia plastica; sono 

rinforzabili con fibre di vetro risultando superiori agli analoghi prodotti poliestere quanto a 

caratteristiche chimiche e meccaniche; sono però più costose. 

Resine poliuretaniche. (PU). Si ottengono per reazione di poliaddizione tra diisocianati e polialcoli 

o poliammine o acidi policarbossilici dando origine a prodotti termoplastici, se ogni monomero ha 

solo due gruppi funzionali, e a prodotti termoindurenti se uno dei due ha funzionalità superiore a 

due. I poliuretani a struttura reticolata possono essere flessibili, semirigidi o rigidi a seconda dei 

prodotti di partenza e del grado di reticolazione; sono anche ampiamente usati sotto forma di 

schiume poliuretaniche espanse e per la preparazione di vernici e collanti e di materiali da 

rivestimento. Sono facilmente stampabili, ma di costo relativamente elevato. In campo 

autoveicolistico sono impiegati nelle imbottiture, nelle plance schiumate, nei volanti, nei pannelli 

porta preformati e, nella versione rigida, nei paraurti. 

Resine amminiche. Si ottengono per policondensazione tra formaldeide H-C=O e composti 

amminici tipo urea H2N-CO-NH2 o melammina ; si ottengono resine termoindurenti 

fortemente reticolate, trasparenti, incolori. Possono essere caricate con cellulosa, fibre di cotone o di 

vetro. Sono più dure e più resistenti a trazione delle resine fenoliche, ma meno resilienti. Sono 

impiegate per accessori elettrici, come collanti e nella fabbricazione di laminati plastici. 

SILICONI 

Il silicio, un elemento tetravalente come il carbonio, può dare origine a una particolare 

categoria di polimeri, denominati siliconi, caratterizzati dalla presenza di catene - Si-O-Si-O-Si-O- 

(catene silossaniche) nelle quali le valenze residue sono saturate da radicali organici -CH3 ; -C2H5 ; 

-C6H5, ecc..Tali polimeri possono essere liquidi, grassi, resine o gomme. 

CH3 CH3 

| | 

Si ottengono dai diclorosilani, es. Cl-Si-Cl , che reagiscono con acqua per dare HO-Si-OH 

| | 

CH3 CH3 

CH3 CH3 CH3 CH3 

| | | | 

che poi policondensa generando i siliconi -O-Si-O-Si-O-Si-O-Si-O- che, in questa forma, 

| | | | 

CH3 CH3 CH3 CH3 

sono polimeri a catena lineare. Se si parte da triclorosilani si formano ponti di ossigeno tra le catene 

laterali originando reticoli tridimensionali. 

22


Tutti i siliconi sono resistenti all’acqua, in quanto idrorepellenti, e all’ossidazione e sono stabili 

a temperature elevate, superiori a 200°C. Quelli liquidi mantengono una viscosità modesta anche a 

basse temperature che varia inoltre poco all’aumentare della temperatura; di qui il loro impiego 

come lubrificanti. Vengono anche utilizzati quali liquidi per sistemi idraulici, impermeabilizzanti, 

agenti antischiuma, oltre che nella fabbricazione di gomme capaci di mantenere inalterate le loro 

caratteristiche anche a temperature dell’ordine di 300°C. 

ELASTOMERI O GOMME 

Gli elastomeri sono sostanze che, per effetto di sollecitazioni, modificano le proprie dimensioni per 

riacquistarle rapidamente al cessare delle sollecitazioni. 

Sono costituiti inizialmente da lunghe catene polimeriche, con pesi molecolari dell’ordine di 10 5 , 

nelle quali esistono legami dotati di libertà di rotazione che conferiscono flessibilità alle catene; tra 

queste non si esercitano interazioni significative e il materiale da esse costituito è allo stato amorfo. 

Tale condizione di plasticità viene successivamente modificata in modo profondo con un processo 

detto di vulcanizzazione nel corso del quale si creano legami trasversali tra le macromolecole 

(reticolazione). Le lunghe molecole lineari così collegate sono aggrovigliate in uno stato amorfo; se 

il materiale viene sollecitato, ad esempio a trazione, queste molecole si srotolano, si dispongono per 

alcuni tratti parallele le une alle altre, assumendo una disposizione relativamente ordinata. Esse 

ritornano però rapidamente allo stato di massimo disordine, non appena cessa la sollecitazione, a ciò 

spinte dai legami trasversali che si erano allungati sotto sforzo e che tendono a riacquistare la 

lunghezza originaria. 

Esistono numerosi tipi di elastomeri; di questi uno ha origini naturali essendo estratto da un albero, 

mentre tutti gli altri derivano dall’elaborazione del petrolio e sono considerati artificiali. 

Con il termine caucciù si indicano i polimeri non reticolati, naturali o sintetici, che costituiscono il 

materiale di base dal quale ottenere, attraverso la vulcanizzazione o reticolazione, gli elastomeri o 

gomme. Il caucciù, riscaldato moderatamente e sottoposto a modeste sollecitazioni, può essere 

facilmente modellato per realizzare i componenti nella forma desiderata prima di sottoporli alla 

vulcanizzazione che conferirà loro le proprietà elastiche. 

23


Raramente gli elastomeri vulcanizzati vengono utilizzati allo stato puro; per motivi economici e 

tecnologici vengono addizionati di cariche, di plastificanti, di antiossidanti generando sistemi 

complessi chiamati mescole. 

GLI ELASTOMERI 

Occorre anticipare che esiste un numero assai elevato di elastomeri in quanto, partendo da una 

trentina di monomeri, si possono ottenere prodotti assai diversi a seconda della lunghezza delle 

catene polimeriche, del numero e della quantità di monomeri utilizzati, del metodo di produzione, 

della qualità e della quantità degli additivi presenti nelle mescole. 

In base alla struttura chimica della catena polimerica gli elastomeri possono essere suddivisi in non 

polari e polari. I primi contengono solo atomi di C e di H e sono poco resistenti agli idrocarburi e 

quindi alla benzina o agli oli minerali. Ne sono esempi: 

24


legami tra atomi di C e cioè insature. I doppi legami costituiscono punti reattivi delle 

macromolecole. Essi vengono coinvolti nel processo di vulcanizzazione, o di reticolazione; nel caso 

più comune i doppi legami possono aprirsi e le valenze così liberatesi vengono saturate con atomi di 

S che legano tra di loro (reticolano) le catene polimeriche attraverso ponti -S- . Questi ponti si 

allungano a seguito di sollecitazioni a trazione e ritornano alle dimensioni iniziali quando le 

sollecitazioni cessano, conferendo in questo modo al materiale le caratteristiche proprietà elastiche. 

Quasi sempre non tutti i doppi legami presenti in una macromolecola vengono coinvolti in questi 

legami intermolecolari contenenti S; ciò per evitare un eccessivo irrigidimento. I doppi legami non 

25


impegnati costituiscono punti di debolezza dell’elastomero in quanto reagiscono facilmente con 

ossigeno e ozono innescando processi di degrado di questi materiali genericamente indicati come 

fenomeni di invecchiamento. 

Esistono per altro elastomeri saturi, poco reattivi, che non reagiscono facilmente con ossigeno e 

ozono e, quindi, con buona resistenza all’invecchiamento. Ne sono esempi, fra quelli non polari, 

- il copolimero etilene – propilene : CH2 = CH2 + CH2 = CH – CH3 (EPM) 

- il copolimero etilene-propilene-diene (es. di diene CH2 = CH– CH = CH2) (EPDM) 

Questi possono essere reticolati mediante perosssidi organici o essere vulcanizzati con S dopo aver 

introdotto nella catena principale piccole quantità di dieni (es: CH2 = CH– CH = CH2). 

Fra gli elastomeri saturi di natura polare si possono citare le gomme poliacrilato (polimeri degli 

esteri dell’acido acrilico CH2 = CH – COOH); le gomme cloropolietilene, le gomme fluorurate 

tutte con la catena principale costituita da atomi di C. Altri elastomeri di questo tipo contengono 

anche ossigeno nella catena principale come la gomma epicloridrina Cl-CH2-CH=CH2 

oppure anche ossigeno e azoto come nelle gomme poliestere- uretano o polietere- uretano. O 

Una classe particolare è infine quella delle gomme siliconiche che hanno la catena principale 

costituita dall’alternarsi di atomi di Si e di O e nelle quali le restanti valenze dell’atomo di Si sono 

saturate da gruppi - CH3 (metile) , C6H5 (fenile); –CH = CH2 (vinile); – F (fluoro). 

LE CARICHE 

Vengono introdotte sotto forma di polveri nelle mescole prima della vulcanizzazione per migliorare 

le proprietà meccaniche e contenere i costi di produzione degli elastomeri vulcanizzati. Migliorano 

le proprietà a trazione e la durezza: il nerofumo, la silice e alcuni silicati; funzionano da riempitivi 

per diminuire i costi il carbonato di calcio, il talco (silicato idrato di magnesio 3MgO⋅4SiO2⋅H2O), il 

caolino (es: Al2O3⋅2SiO2⋅2H2O), la barite (BaSO4 ). 

La carica più importante, sempre presente, è costituita dal nerofumo. Si tratta di atomi di carbonio, 

ottenuti per combustione incompleta di idrocarburi ad alto peso molecolare, aggregati in particelle 

che poi condenseranno dando origine a strutture ricche di vuoti ad alto rapporto tra superficie e 

volume. L’azione di rinforzo cresce al diminuire del diametro delle particelle e all’aumentare della 

struttura . Essa consegue alla penetrazione delle macromolecole nelle cavità della struttura e alle 

interazioni, di natura chimica e fisica, tra le due entità promosse dalle sollecitazioni di taglio che si 

generano durante il mescolamento. 

Queste interazioni provocano un aumento della viscosità della mescola e rendono poi parzialmente 

insolubile la gomma nei solventi. Il reticolo costituito dalle particelle di nerofumo provoca un 

innalzamento della durezza e del modulo elastico. Come per tutte le cariche rinforzanti anche il 

nerofumo aumenta significativamente la resistenza all’abrasione. 

PLASTIFICANTI 

Sono sostanze che vengono introdotte nelle mescole per ridurne la viscosità e facilitarne la 

lavorazione anche in presenza di forti quantitativi di cariche aggiunti per contenere i costi. Si tratta 

COOH 

di oli minerali o di sintesi (es: ftalati, derivati dall’acido ftalico COOH o adipati, derivati 

dall’ac. 

26


adipico HOOC – (CH2)4– COOH ) chimicamente affini agli elastomeri cui vengono addizionati, 

quanto a polarità e a solubilità; ciò a evitare che nel tempo si separino dall’elastomero portandosi 

sulla sua superficie (essudazione del plastificante). Devono inoltre non essere volatili, costare poco, 

avere un punto di congelamento inferiore alla temperatura alla quale l’elastomero indurisce 

(temperatura di transizione vetrosa; ad es. –70° C per la gomma naturale; -85°C per la gomma 

polibutadiene; –40°C per la gomma cloroprenica). 

ANTIOSSIDANTI 

Sono sostanze che vengono introdotte nelle mescole per ritardare il progressivo deterioramento 

delle proprietà meccaniche degli elastomeri determinato dall’ossigeno e dall’ozono presenti 

nell’aria. Sono particolarmente esposte a questo degrado le gomme insature che contengono nella 

loro catena doppi legami reattivi in grado di addizionare l’ossigeno e di innescare reazioni che 

portano alla rottura delle catene polimeriche. Gli antiossidanti possono inibire la propagazione 

dell’ossidazione. La reattività con l’ozono può essere invece contrastata aggiungendo 

p.fenilendiammina H2N- -NH2 o cere paraffiniche che affiorano sulla superficie creando un 

film barriera rispetto all’ozono. 

ACCELERANTI 

Sono sostanze che vengono aggiunte alle mescole per accelerare il processo di vulcanizzazione e 

renderlo compatibile con le esigenze di ritmi elevati di produzione. 

LE MESCOLE 

Premesso che di una mescola possono far parte anche 20 o 30 componenti occorre sottolineare che, 

partendo dallo stesso caucciù, che determina la resistenza all’invecchiamento, la flessibilità alle 

basse temperature, il comportamento rispetto a oli, carburanti, acqua, solventi, alcune proprietà 

meccaniche, si può, attraverso vari additivi e con opportune tecnologie di lavorazione, migliorare la 

lavorabilità, l’elasticità alle basse temperature, la durezza, la resistenza all’urto, la resistenza al 

calore, al rigonfiamento, all’ozono, alla deformazione per compressione, ridurre i costi. 

Orientativamente i rapporti percentuali fra i vari ingredienti di una mescola sono i seguenti: 

polimeri 44 plastificanti 9 

vulcanizzante 2 antiossidanti 1 

nerofumo e rinforzanti 42 acceleranti 2 

TECNOLOGIE DI TRASFORMAZIONE 

Per preparare una mescola si fluidifica l’elastomero rompendo le macromolecole con l’aiuto delle 

forti sollecitazioni di taglio che si generano all’interno dei mescolatori. Questi sono sostanzialmente 

costituiti da due cilindri o due rotori sagomati che ruotano con velocità diverse in senso contrario e 

fra i quali viene forzata la gomma da vulcanizzare e i vari ingredienti della mescola. Ottenuta una 

mescola omogenea contenente l’agente vulcanizzante si può procedere alla preparazione di 

semilavorati. Questi si possono ottenere per estrusione forzando, con l’aiuto di una vite senza fine 

che ruota entro un cilindro, la mescola a fuoriuscire da una estremità sagomata del cilindro. 

27


Per ottenere fogli di spessore determinato o tessuti gommati si può ricorrere a una calandratura che 

consiste nel far passare la mescola fra 3 – 4 cilindri disposti, ad esempio, secondo lo schema della 

Fig.20. 

VULCANIZZAZIONE 

E’ un processo chimico attraverso il quale il groviglio di macromolecole della mescola si trasforma 

in un reticolo tridimensionale insolubile. La reazione chimica utilizzata dipende dalla natura 

dell’elastomero e cioè dalla presenza di doppi legami o di gruppi funzionali reattivi. Nella 

maggioranza dei casi le macromolecole sono insature e la vulcanizzazione viene effettuata con 

zolfo; lo zolfo promuove la rottura dei doppi legami e si addiziona alle catene principali formando 

ponti tra catene differenti. La reazione, di per sé piuttosto lenta anche a temperature elevate, può 

essere accelerata dalla presenza nella mescola di acceleranti e coadiuvanti, es. ZnO e acido stearico 

CH3 – ( CH2)16 – COOH oppure da stearato di zinco. Lo zolfo elementare può essere sostituito da 

composti donatori di zolfo. 

Alcuni tipi di gomme sature, ad esempio quelle siliconiche e i copolimeri etilene-propilene, 

vengono vulcanizzate impiegando perossidi organici. Le gomme florurate e quelle acriliche 

vengono reticolate con diammine. Nel caso della vulcanizzazione con lo zolfo viene coinvolto nel 

processo di reticolazione solo circa il 10% dei doppi legami presenti. Il grado di reticolazione 

condiziona le proprietà degli elastomeri; al suo aumentare crescono il modulo elastico, la durezza, 

28


la resistenza, mentre diminuisce l’allungamento a rottura; il carico di rottura passa invece per un 

massimo. 

La vulcanizzazione può essere effettuata in stampi preriscaldati nei quali si sottopone a pressione la 

mescola; questa diventa molle, riempie la cavità dello stampo e, a seguito della reticolazione, si 

trasforma in un corpo elastico che può essere rimosso ancora caldo. 

Con lo stampaggio detto per trasferimento, che impiega una camera di caricamento intermedia tra il 

pistone superiore e lo stampo vero e proprio, la vulcanizzazione si ottiene dopo 2-3 minuti a circa 

180°C. 

Ancora più diffuso è il procedimento di stampaggio a iniezione. La mescola preriscaldata viene 

iniettata da un pistone nello stampo chiuso adottando pressioni elevate; la mescola preriscaldata e 

fluidificata può essere anche premuta da una vite rotante nella cavità di uno stampo attraverso un 

canale di iniezione. Il procedimento richiede meno di un minuto per la vulcanizzazione. 

Per vulcanizzare prodotti estrusi, es. manicotti, si può anche ricorrere, per il riscaldamento, a vapore 

d’acqua surriscaldato in un recipiente chiuso (autoclave). 

Nel caso di articoli trafilati la formatura e la vulcanizzazione vengono svolte con continuità in 

un'unica fase operativa. Il riscaldamento può essere realizzato con vapore d’acqua surriscaldato, con 

aria calda, con bagni salini bassofondenti, con un letto fluido costituito da microsfere di vetro tenute 

in sospensione da aria calda compressa, con microonde, se la mescola è dotata di sufficiente 

polarità. La vulcanizzazione può infine essere accompagnata da trattamenti della superficie mirati a 

migliorare l’aspetto dei manufatti, a evitarne l’incollamento durante l’uso o la conservazione in 

magazzino, a ridurre il coefficiente di attrito, ad aumentare la resistenza al deterioramento. Per 

ridurre i fenomeni di incollamento si possono usare staccanti in polvere, es. talco o stearato di 

zinco, oppure modificare permanentemente le superfici alogenandole con fluoro, cloro, bromo e 

ottenere così un film sottile e flessibile con basso coefficiente di attrito. Per ottenere superfici 

resistenti all’invecchiamento e all’ozono, lucide e pieghevoli, si possono anche utilizzare vernici 

flessibili, ad es. poliuretaniche. 

ALCUNE PROPRIETA’ DEGLI ELASTOMERI 

Peso specifico (o massa volumica): varia da 1,18 g/cm 3 per le gomme tenere, a 1,22 per le gomme 

medie, a 1,28 per le gomme dure. 

Durezza. Viene misurata come durezza SHORE ed è data dalla resistenza alla penetrazione, a 

pressione costante, di un penetratore standard di forma conica. Si misura la profondità di 

penetrazione e la si esprime con una scala che va da zero a 100. Si deve sottolineare che, a 

differenza di altri materiali, per le gomme un aumento di durezza non comporta necessariamente un 

aumento di resistenza a trazione (Fig.21). 

Carico e 

allungamento a 

rottura (a trazione); sono il carico unitario riferito alla sezione iniziale e l’allungamento percentuale 

che si riscontrano al momento della rottura. I valori misurati sono utili per stabilire gli effetti dei 

vari ingredienti sulle mescole, per controllare l’andamento del processo di vulcanizzazione, per 

29


determinare la resistenza al deterioramento causato da agenti atmosferici, ozono, olio, calore, agenti 

chimici. Premesso che queste caratteristiche sono fortemente dipendenti dalla temperatura e dalla 

velocità di applicazione del carico, si osserva che il campo di proporzionalità tra sollecitazione e 

allungamento è molto ristretto e che sono presenti deformazioni reversibili anche al di sopra del 

campo di proporzionalità. 

L’ordine di grandezza è di qualche decina di MPa per il carico di rottura e di allungamenti 

percentuali di qualche centinaio di unità. Tali valori dipendono fortemente dalla natura delle 

cariche. Nella figura 22 sono mostrati, in funzione della % di due diversi nerofumi, i valori relativi a 

una gomma nitrilica. 

Ritorno elastico e deformazioni permanenti. Nelle gomme, per effetto di una sollecitazione e di una 

deformazione prolungata, ad esempio nelle guarnizioni di tenuta che lavorano a pressione costante, 

si verifica un cedimento, una deformazione permanente. E’ possibile modificare questa 

deformazione ed etichettare come gomme ad alta elasticità quelle che la presentano in misura 

limitata, che possiedono, cioè, un’alta capacità di ritorno elastico. 

Modulo elastico. La gomma ha un modulo elastico estremamente modesto, di tre o quattro ordini di 

grandezza inferiore a quello degli acciai, com’è lecito attendersi da un materiale che ha nel 

cedimento elastico la sua caratteristica saliente. Esso varia inoltre in funzione della deformazione 

30


elastica ed è quindi importante conoscerne il valore in corrispondenza della deformazione prevista. 

Ciò vale in particolare per le sollecitazioni a trazione, come quelle che si hanno sui pendagli elastici 

delle marmitte. Se le sollecitazioni sono a compressione, con deformazioni modeste, non superiori 

al 15% , la curva di sforzo-deformazione è quasi una retta e il modulo elastico può essere usato per 

calcolare, ad esempio, dimensioni, forma, e grado di elasticità di supporti antivibranti che, in 

esercizio, si deformano poco. Al riguardo si osserva che, essendo la gomma incomprimibile, una 

riduzione di altezza deve essere compensata da un allargamento dei fianchi; ne deriva che un 

blocchetto cilindrico, che ha una minore superficie libera, si deformerà più di uno rettangolare; si 

parla allora di fattore di forma inteso come rapporto tra l’area di una delle superfici caricate e l’area 

di tutte le superfici non caricate libere di incurvarsi. La relazione tra carico a compressione e 

deformazione è cioè influenzata dalla forma del componente. 

Proprietà dinamiche (smorzamento delle vibrazioni). I motopropulsori, le balestre, le sospensioni, il 

silenziatore di scarico sono vincolati alla scocca non in modo rigido, ma con giunzioni elastiche in 

gomma. 

Queste giunzioni assicurano sia la risposta elastica, sia lo smorzamento delle vibrazioni 

trasformando parte dell’energia meccanica in energia termica. La distribuzione delle energie in 

gioco viene valutata attraverso l’esame della curva sforzo-deformazione e delle aree racchiuse che 

si riscontrano quando il materiale viene sollecitato a trazione e quando il carico viene 

successivamente rilasciato (Fig.23).. 

La curva OCP riguarda la sollecitazione a trazione, quella PA la rimozione del carico; 

l’assorbimento di energia è proporzionale all’area OCPB; l’energia restituita durante il rilascio è 

proporzionale all’area APB e dà anche una misura della resilienza ; la perdita di energia per isteresi, 

dissipata sotto forma di calore nell’elastomero, è proporzionale all’area tratteggiata OCPA. Per ogni 

ciclo di deformazione una gomma sarà tanto più smorzante quanto più la sua isteresi, ovvero l’area 

tratteggiata, è grande. Ripetendo i cicli di carico e scarico la forma e la posizione delle curve di 

isteresi cambiano, spostandosi verso destra e verso il basso, con riduzione dell’area tratteggiata e 

ulteriori modesti aumenti della deformazione permanente nei primi cicli di sollecitazioni. 

Resilienza. E’ data dal rapporto tra l’energia restituita al rilascio del carico e quella necessaria per 

produrre inizialmente la deformazione. Essa diminuisce all’aumentare, attraverso l’aggiunta di 

cariche, della rigidità e della durezza 

31


( Fig.24). Notevole è l’influenza della struttura e della forma delle particelle di carbone: quelle con 

dimensioni più piccole provocano smorzamenti più elevati e migliori caratteristiche meccaniche, ma 

si surriscaldano di più a fatica. 

Per valutare la resilienza si può ricorrere all’esame del ciclo di isteresi, a prove d’urto, all’impiego 

di strumenti a vibrazione libera (oscillografi, pendolo a torsione) o a vibrazione forzata (analizzatori 

meccanici-dinamici ). Il comportamento degli elastomeri dipende dalla loro natura chimica, dal tipo 

di mescola, dalla tipologia e dall’entità della sollecitazione applicata, dalla frequenza con cui 

vengono sollecitati, dalla temperatura esterna e da quella interna. 

Resistenza a fatica. Gli elastomeri subiscono di solito forti deformazioni, presentano notevoli 

isteresi e hanno bassa conducibilità termica. La conseguenza è un forte innalzamento della 

temperatura interna causato dalla difficoltà a dissipare il calore generato a cuore. La rottura a fatica 

è conseguenza più di questa condizione che non della propagazione di difetti preesistenti. Nerofumi 

a granulometria fine migliorano le caratteristiche a trazione, ma peggiorano quelle a fatica rispetto a 

nerofumi a granulometria maggiore in quanto tali nerofumi sviluppano più calore per attrito interno. 

Circa la resistenza a fatica è opportuno distinguere tra una valutazione relativa a una deformazione 

prefissata, nel qual caso una mescola tenera sopporta una sollecitazione minore di una mescola dura 

(Fig.25). 

32


oppure una valutazione relativa a un carico prefissato, nel qual caso si ha deformazione minore per 

la mescola dura che non per quella tenera (Fig.26) 

La prima valutazione favorisce le mescole tenere mentre la seconda favorisce quelle dure. Per avere 

un’indicazione più adeguata è preferibile fare riferimento alla durata a fatica mantenendo costante 

il prodotto carico-deformazione , cioè a energia dinamica costante (Fig.27). 

La resistenza a fatica (n° dei cicli) viene valutata in funzione dell’energia dinamica per unità di 

volume del provino. Resistono particolarmente bene le gomme a base di isoprene, butadiene, 

butadiene-stirene e, in genere, quelle non polari. 

PROPRIETA’ TERMICHE 

Conduttività termica. Da essa dipende il tempo richiesto per arrivare alla temperatura di 

vulcanizzazione e la possibilità di dissipare il calore sviluppato a causa di vibrazioni o di frizioni. 

Le gomme sono, in genere, cattive conduttrici del calore. Il coefficiente di conducibilità termica 

varia da 0,15 kcal ⋅m -1 ⋅h -1 ⋅°C -1 della gomma butile, a 0,18 della gomma naturale, a 0,25 delle 

gomme poliuretaniche. 

Dilatazione termica. E’ un parametro importante per determinare le dimensioni degli stampi di 

formatura che sono condizionate dal ritiro al raffreddamento e per la progettazione di componenti 

sottoposti in esercizio a variazioni di temperatura. In genere diminuisce all’aumentare delle cariche 

e del grado di reticolazione. Il coefficiente di dilatazione termica varia da 13⋅10 -6 °C -1 per la gomma 

butile a 25⋅10 -6 per le gomme siliconiche (10-5?) 

Effetto Joule. Si tratta di un effetto particolare che comporta l’accorciamento di una gomma prima 

tesa e poi riscaldata; il modulo di elasticità, la rigidità o la capacità di sopportare un peso aumenta 

con la temperatura; se il carico è mantenuto costante, l’elastomero si accorcerà all’aumentare della 

temperatura; se la gomma non è sotto sforzo si dilata invece regolarmente. La verifica dell’effetto 

joule è particolarmente facile se si effettuano prove di tensione ad alta velocità di deformazione 

33


evitando così che il fenomeno venga mascherato dallo scorrimento plastico a caldo. Dell’effetto 

Joule occorre tener conto nella progettazione degli O-rings usati come guarnizioni di tenuta per 

alberi rotanti; essi devono essere leggermente sovradimensionati; la tenuta deve poi essere 

assicurata mediante una compressione periferica. 

Comportamento alle basse temperature. Tutti gli elastomeri irrigidiscono reversibilmente alle basse 

temperature. L’irrigidimento è lento e progressivo all’inizio, finché, a circa –30°C /-40°C, fig.28 

inizia un irrigidimento rapido dopo di che il materiale diventa fragile. Questi cambiamenti sono 

rapidi. In alcuni elastomeri, come la gomma naturale, la gomma butile, il clororoprene, si verifica, 

per tempi lunghi di esposizione a basse temperature (circa 0°C), un irrigidimento conseguente a una 

certa “cristallizzazione”. A temperature molto più basse questa cristallizzazione non si verifica, per 

l’impossibilità delle molecole a muoversi; a temperature più alte prevale l’effetto dell’agitazione 

termica e la cristallizzazione non può, analogamente, verificarsi. Del fenomeno occorre tener conto 

anche nello stoccaggio di componenti per tempi lunghi a basse temperature. 

Proprietà elettriche. Alcune gomme vengono utilizzate come isolanti elettrici; in questo caso 

devono presentare una bassa permeabilità all’acqua che può contenere sali disciolti; sono idonee le 

gomme non polari: la gomma naturale, la gomma stirene-butadiene, la gomma butilica, le gomme 

etilene-propilene e, talvolta, le gomme siliconiche. 

Le proprietà sono fortemente influenzate dai plastificanti (consigliabili gli oli minerali) e dalle 

cariche (consigliabili talco e caolino, non il nerofumo). Si impiegano, invece, quantità rilevanti di 

nerofumo quando si debbano produrre gomme conduttrici a bassa resistenza d’isolamento. 

Resistenza all’invecchiamento. E’ la resistenza che gli elastomeri oppongono al progressivo e 

irreversibile danneggiamento provocato da ossigeno, ozono, luce, calore e umidità; l’effetto 

distruttivo è maggiore in presenza di deformazioni statiche o di sollecitazioni dinamiche ed è 

accompagnato da screpolature o sfarinamento superficiale o da indurimenti o rammollimenti 

anomali. 

L’invecchiamento da calore consegue sia alla temperatura cui lavora l’elastomero sia, nelle 

applicazioni dinamiche, al riscaldamento interno dovuto alle perdite di energia per isteresi. Esso è 

in larga misura legato a un aumento della velocità di ossidazione. Le temperature massime di 

impiego sono di circa 80°C per la gomma naturale; 120°C per il cloroprene; 150°C per la gomma 

etilene-propilene; 200°C per le gomme fluorurate; 250°C per le gomme siliconiche. 

34


L’esposizione delle gomme agli agenti atmosferici e alla luce può screpolarne la superficie, 

diminuire il carico di rottura e l’elasticità dell’intera massa. Queste alterazioni dipendono 

largamente dalla composizione della mescola. Sono particolarmente resistenti gli elastomeri saturi : 

gomma etilene-propilene-diene ; gomma etilen-vinil acetato ; gomme silconiche. 

L’ozono, che si forma negli strati alti dell’atmosfera per effetto delle radiazioni ultraviolette, 

provoca un invecchiamento rapido degli elastomeri, specie se insaturi e se sottoposti a una tensione 

statica di entità superiore a un valore critico variabile a seconda della gomma. Si verificano delle 

spaccature perpendicolari alla direzione di sollecitazione. Il numero delle incrinature aumenta con 

l’allungamento mentre la loro profondità diminuisce. In presenza di ozono, umidità e calore si 

forma sulla superficie una patina opaca insolubile (“frosting”) ; il nerofumo contrasta il fenomeno. 

Presentano buona resistenza all’ozono le gomme sature; sono invece inidonee la gomma naturale, la 

gomma nitrile, la gomma stirenica. L’influenza dell’ozono aumenta al crescere della durezza e si 

manifesta più facilmente dove vi sono deformazioni locali forti, spigoli vivi, intagli, raggi di 

curvatura accentuati che provocano concentrazione delle sollecitazioni. 

Gli elastomeri possono invecchiare e alterarsi anche venendo a contato con gas, vapori, liquidi che 

possono sia venire assorbiti , provocando un rigonfiamento, sia solubilizzare la mescola ( specie i 

plastificanti ). L’entità dell’alterazione dipende dall’agente di contatto, dalla composizione della 

mescola, dalla temperatura, dallo stato di sollecitazione; le variazioni di volume modificano le 

caratteristiche meccaniche delle gomme. I mezzi di contatto possono anche reagire chimicamente 

con gli elastomeri alterandone la struttura e infragilendoli; tale aggressività aumenta notevolmente 

con la temperatura. Gli elastomeri non polari reagiscono, rigonfiando, se posti a contatto con mezzi 

non polari, come le benzine e gli oli minerali; gli elastomeri polari sono invece resistenti nei 

confronti di tali mezzi. L’aggressività degli oli aumenta con la temperatura, con il contenuto di 

idrocarburi aromatici e al diminuire della viscosità. 

Resistono fino a 110°C le gomme nitriliche; fino a 160°C quelle siliconiche; fino a 180°C quelle 

florurate. Anche i liquidi per freni, composti da glicoli ed eteri, che hanno tendenza ad assorbire 

umidità, possono essere aggressivi; si possono usare per questo impiego gomme naturali, o gomme 

etilene-propilene-diene che hanno anche buone resistenze al calore e all’invecchiamento. 

La benzina provoca negli elastomeri un rigonfiamento superiore a quello dato dagli oli; il 

rigonfiamento è reversibile se non sono presenti nella gomma sostanze estraibili (plastificanti, 

antinvecchianti, antiozono, ecc.); può anche provocare restringimenti permanenti e indurimento, a 

seguito di estrazione di componenti dalla mescola. Non possono essere usate a contatto con la 

benzina le seguenti gomme apolari: naturale, stirene, etilene-propilene-diene; sono invece adatte le 

gomme nitrile, epicloridrina, florurate, siliconiche florurate. Le benzine ossigenate sono 

particolarmente aggressive in quanto aumentano il rigonfiamento degli elastomeri e la loro 

permeabilità agli idrocarburi che passano facilmente allo stato gassoso. Per ottimizzare i 

componenti in gomma, ad es. nei tubi flessibili, si possono adottare tubi realizzati con gomme 

diverse all’interno e nello strato esterno per migliorare il comportamento quanto a rigonfiamento e 

permeabilità. Le gomme più usate sono quelle butadiene-acrilonitrile (NBR) ad alto contenuto in 

acrilonitrile, epicloridrina, florurate. 

APPLICAZIONI AUTOVEICOLISTICHE. 

Nelle quattro figure 29/30/31/32 sono evidenziate, con l’eccezione dei pneumatici, le utilizzazioni 

più significative degli elastomeri negli autoveicoli, con l’indicazione di quelli impiegati nella 

realizzazione dei componenti. Gli impieghi più impegnativi concernono le guarnizioni a tenuta di 

fluidi per alberi rotanti che devono essere resistenti all’usura, agli oli aggressivi per cambio e 

differenziale, alle temperature elevate; si utilizzano gomme nitriliche, poliacriliche, siliconiche e 

florurate. Altra applicazione molto importante concerne i tasselli di sospensione 

35


motopropulsore/sospensioni. Per le sue doti di resistenza a fatica e al creep, per la facilità di 

adesione alle armature metalliche che realizzano il vincolo agli organi meccanici e alla scocca e 

sulle quali la gomma viene vulcanizzata, si utilizza la gomma naturale, anche se la sua capacità di 

smorzare le vibrazioni è modesta. 

Complessivamente gli elastomeri possono essere suddivisi in tre classi: 

1) di impiego generale; 2) con proprietà particolari; 3) speciali. 

Gli elastomeri di impiego generale sono ampiamente disponibili e di basso costo e sono, a loro 

volta, suddivisibili in elastomeri con levate proprietà meccaniche e dinamiche ed aventi elevata 

lavorabilità e in elastomeri con elevate proprietà interfacciali capaci di resistere all’abrasione e di 

trasmettere forze attraverso un contatto interfacciale, come avviene per il battistrada del 

pneumatico. 

La gomma naturale (NR) o sintetica (IR) a base di isoprene presenta un buon compromesso tra 

resistenza a trazione, alta elasticità, buona resistenza alle basse temperature, resistenza al calore fino 

a 80°-90°C, limitata resistenza a oli, benzine, agenti atmosferici, ozono; viene usata nei pneumatici 

e nei tasselli elastici per sospensioni. 

La gomma butadiene – stirene, adeguatamente caricata, ha circa le stesse proprietà meccaniche 

della gomma naturale, migliore resistenza all’abrasione, alle alte temperature, all’invecchiamento, 

ma minore elasticità alle basse temperature. E’ la gomma in assoluto più diffusa; i 2/3 

dell’elastomero prodotto sono impiegati nei pneumatici. 

Gli elastomeri con proprietà particolari possiedono buone proprietà elastiche e alcune caratteristiche 

particolari non presenti negli elastomeri di impiego generale, quali la resistenza agli oli e 

all’invecchiamento, che li rendono adatti per impieghi diversi da quello dei pneumatici. 

Le gomme nitriliche (NBR), basate su copolimeri fra acrilonitrile e butadiene, presentano una 

buona resistenza alla benzina, agli oli e ai grassi naturali, ma sono scarsamente resistenti 

all’invecchiamento. Sono adatte per tubi e guarnizioni a contatto con oli e carburanti. 

Le gomme al cloroprene (CR) hanno discreta resistenza agli oli; buona resistenza all’ossidazione, 

all’invecchiamento, al calore, alla fiamma ed ad elevate proprietà meccaniche; sono impiegate in 

cinghie dentate e trapezioidali, in cuffie per giunti omocinetici e scatole sterzo, in rivestimenti di 

tubi per carburante. 

I copolimeri etilene-propilene (EPM) ed etilene- propilene-diene (EPDM) costituiscono una delle 

classi più importanti presentando un’elevata resistenza all’invecchiamento e buone proprietà 

elastiche e dinamiche dovute alla flessibilità delle catene polimeriche. Vengono reticolati con 

perossidi oppure vulcanizzati con zolfo, dopo introduzione di piccole quantità di diene che 

garantisca la presenza di doppi legami. Sono impiegati nei manicotti per acqua e in guarnizioni di 

tenuta d’aria e di acqua. 

Le gomme butiliche (IIR) presentano una forte isteresi nella curva sforzi- deformazioni che ne 

limitano l’impiego come materiale elastico; prevalgono le utilizzazioni che ne utilizzano le ottime 

proprietà di impermeabilità ai gas e di resistenza all’invecchiamento e agli agenti chimici e fisici, ad 

es. nelle camere d’aria e nei sigillanti per vetri; possono venire clorurate (gomma clorobutile- CIIR) 

per migliorarne l’elasticità e la compatibilità con altre gomme. Le gomme butiliche sono anche 

impiegate per lo strato interno dei pneumatici “tubeless”. 

Gli elastomeri speciali presentano una o più proprietà a livello di eccellenza che li rendono adatti a 

impieghi specifici sofisticati; vengono prodotti in quantità ridotte e sono, in genere, piuttosto 

costosi. 

Le gomme acriliche (ACM), a base di poliacrilicati resistono in modo eccellente agli oli, 

all’invecchiamento, alle alte temperature, potendo essere utilizzate all’aria fino a 160°C. Discreta è 

la resistenza meccanica e mediocre il comportamento alle basse temperature; si utilizzano ad es., 

per guarnizioni di tenuta dell’olio che lavorano a temperature elevate. 

Gli elastomeri florurati (FKM) sono ininfiammabili, resistono molto bene alle alte temperature, 

all’ozono, all’ossigeno, agli oli minerali, ai liquidi idraulici sintetici, ai combustibili; sono di 

36


lavorazione difficile e con elasticità alle basse temperature non sempre soddisfacente; si usano, ad 

es. per guarnizioni del motore di tenuta dell’olio su alberi rotanti e per steli delle valvole. 

Le gomme siliconiche (MFQ o FVMQ) resistono alle alte temperature, sono flessibili anche a basse 

temperature, hanno elevata resistenza all’invecchiamento e all’umidità; sono impiegate , ad es., in 

manicotti che lavorano a temperature e pressione elevate. 

Le gomme nitriliche idrogenate (HNBR), ottenute saturando con l’idrogeno i doppi legami delle 

gomme nitriliche (butadiene-acrilonitrile), presentano un’eccellente resistenza agli agenti chimici e 

all’ossigeno, bassa permeabilità a gas e vapori, buon comportamento alle basse temperature, buona 

resistenza all’usura; sono usate, ad es., nelle cinghie dentate e trapezoidali. 

Le gomme epicloridrina (ECO) presentano elevata resistenza agli oli, alle alte temperature, 

all’invecchiamento, ottime caratteristiche di flessibilità e di elasticità alle basse temperature, 

bassissima permeabilità ai gas; sono usate, ad es., per manicotti e per tubi di conduzione dell’olio. 

Le caratteristiche meccaniche e termiche, i costi orientativi e i più comuni campi di applicazione 

degli elastomeri sono riportati nelle seguenti tabelle . 

I dati sono trattati da: G.Bosco, Elastomeri: strutture, proprietà, tecnologie di produzione, 

progettazione di manufatti; FIAT Auto , laboratori centrali. 

37


I SOLIDI AMORFI E CRISTALLINI 

La materia allo stato di aggregazione solido è caratterizzata dal possesso di 

una forma e di un volume proprio, in quanto le particelle che la costituiscono 

sono legate tra di loro da forze di coesione di notevole entità, ed è 

sostanzialmente incomprimibile. 

Le particelle che costituiscono un solido possono essere atomi, ioni, 

molecole. I legami che le tengono unite possono essere legami metallici, 

covalenti, ionici, molecolari. 

I solidi possono essere divisi in due categorie. Alla prima appartengono 

quelli nei quali le particelle costituenti non sono disposte in modo ordinato. Le 

loro proprietà non dipendono dalla direzione considerata e vengono per questo 

motivo chiamati isotropi. Ne sono esempi comuni i vetri e le materie plastiche. 

Possono assumere lo stato vetroso o amorfo anche altre sostanze ottenute in 

particolari condizioni, ad esempio raffreddando molto rapidamente la materia 

dallo stato liquido. I materiali vetrosi non presentano una temperatura o un 

intervallo di temperatura in cui fondono, ma rammolliscono progressivamente 

all’aumentare della temperatura fino ad assumere lo stato liquido. 

La seconda categoria dei solidi è costituita dai materiali cristallini; in essi 

le particelle costituenti sono disposte in modo ordinato. Esistono solidi di 

questo tipo costituiti da un unico cristallo; si tratta dei solidi monocristallini; ne 

sono esempi le gemme, i grossi monocristalli di silicio per impieghi elettronici, 

alcuni tipi di palette per turbine. In questo caso i solidi hanno alcune proprietà 

che variano a seconda della direzione cristallografica considerata e vengono 

perciò chiamati anisotropi. Nella maggioranza dei casi i materiali cristallini 

sono costituiti da un gran numero di cristalli di piccole dimensioni, casualmente 

orientati. Sebbene ciascun piccolo cristallo sia anisotropo il risultato è che il 

materiale policristallino è complessivamente isotropo in quanto le proprietà che 

vengono misurate sono la media di quelle dei singoli cristalli. 

E’ possibile, anche nel caso di materiali policristallini, riscontrare 

fenomeni di anisotropia; ciò si verifica quando i piccoli cristalli vengono 

orientati in una particolare direzione. E’ il caso, ad esempio, di un materiale 

laminato a freddo nel quale i cristalli si deformano e si orientano nella direzione 

di laminazione; in questo caso la resistenza a trazione del materiale è 

significativamente diversa a seconda che venga determinata su provini prelevati 

parallelamente o trasversalmente alla direzione di laminazione. 

I piccoli cristalli di un materiale policristallino vengono chiamati grani 

cristallini; le loro dimensioni variano usualmente da qualche decimo a qualche 

decina di µm ( 1µm = 10 -6 m). La struttura policristallina può essere 

evidenziata ricorrendo a reattivi chimici che attaccano più facilmente le zone di 

contatto fra i cristalli. 

38


STRUTTURA DEI CRISTALLI 

Gli atomi si possono distribuire uniformemente nello spazio in molti 

modi, ovvero esistono diverse strutture cristalline. Poiché le proprietà fisiche e 

meccaniche di tutti i solidi dipendono strettamente dal modo con cui gli atomi 

sono ordinati verranno ora descritte le più comuni strutture. 

Per comodità di rappresentazione queste strutture sono di solito idealizzate nel 

senso che gli atomi non vengono descritti come entità a stretto contatto fra di 

loro, ma come punti di un reticolo tridimensionale ottenuto dividendo lo spazio 

con tre serie di piani (fig.1). I piani di ogni serie sono fra loro paralleli ed 

fig.1 fig.2 

equidistanti. La distanza fra due piani può variare da una serie all'altra e inoltre 

l’angolo di intersezione fra una serie e l'altra può essere eguale o differente da 

90°. In ogni caso il reticolo tridimensionale è formato da un insieme di solidi 

identici a forma di parallelepipedo delimitati da facce piane e parallele a forma 

di parallelogramma. 

Ognuno di questi solidi contiene atomi solo ai vertici e costituisce una cella 

primitiva. Esso è rappresentativo della struttura cristallina cui appartiene. Ogni 

punto o nodo reticolare che si trova su un vertice della cella è circondato da 

punti distribuiti con identica regolarità e può quindi essere assunto come origine 

di un sistema di tre coordinate ( x, y, z ) le cui direzioni sono parallele a 

quelle delle tre serie di piani. Una cella primitiva può ora essere definita da tre 

r r r 

vettori a, 

b, 

c , le cui direzioni coincidono con quelle delle tre coordinate 

che costituiscono gli assi cristallografici della cella (fig.2). Le lunghezze a, 

b, c sono quelle dei lati della cella mentre gli angoli α, β e γ sono gli angoli 

fra gli assi cristallografici scelti con la convenzione che α = yzˆ , β = xzˆ 

, γ = xyˆ 

. 

Le grandezze a, b, c, α, β e γ prendono il nome di costanti reticolari della 

cella. 

Le possibili relazioni di uguaglianza e disuguaglianza esistenti fra le 

costanti reticolari porta alla definizione di sette sistemi regolari di punti o tipi 

di reticoli semplici (fig.3). 

Cubico 

a=b=c 

α=β=γ=90° 

39 

Tetragonale 

a=b≠c 

α=β=γ=90° 

Ortorombico 

a≠b≠c 

α=β=γ=90°


romboedrico esagonale 

o trigonale a = b ≠ c 

a=b= c α = β = 90° 

α=β=γ ≠ 90° 

γ= 120° 

monoclino triclino 

a≠b≠c a ≠ b ≠ c 

α=β=90° α ≠ β ≠ γ ≠ 90° 

γ≠ 90° 

Fig. 3 

Fissata l'origine degli assi cristallografici è possibile definire la 

posizione dei singoli punti e quindi dei singoli atomi di un reticolo 

cristallino del tipo semplice finora considerato in quanto la posizione 

di ciascuno risulta individuata da un vettore di componenti dove 

P, Q, R, sono numeri interi. Così il punto M (fig.4), è il punto in cui viene 

Fig.4 

traslata l'origine O degli assi cristallografici per azione di un vettore di 

componenti è il punto di coordinate 2, 3, 1 . Un punto generico 

viene dunque localizzato dalla sequenza dei punti P , Q , R . Questi ultimi 

possono anche essere negativi nel qual caso il numero che indica la coordinata 

viene soprassegnato. 

Oltre ai sette reticoli semplici di fig.3 esistono altri sette reticoli composti, 

ottenuti per compenetrazione o traslazione di reticoli semplici, ciascuno dei 

quali gode sempre della proprietà che ogni punto è circondato da altri punti 

distribuiti con la stessa periodicità. I quattordici reticoli vengono chiamati 

reticoli di Bravais. I sette reticoli composti possono essere ricondotti, per 

quanto concerne le relazioni fra le costanti reticolari, ad alcuni fra i reticoli 

semplici dai quali differiscono per la presenza di punti reticolari anche in 

posizioni differenti dai vertici (fig. 5 ). 

40


Fig. 5 

ortorombico a ortorombico a ortorombico a monoclino a 

corpo centrato basi centrate facce centrate basi centrate 

Le coordinate P , Q , R di questi punti possono di conseguenza anche 

assumere valori frazionari. Ad esempio il punto M della cella di fig. 6 è 

individuato da un vettore di componenti 1/2a , 1b , 1/2 c . 

Fig.6 Fig.7 

Ogni cella semplice o primitiva è delimitata da otto atomi. Ciascuno di essi 

è però condiviso da altre sette celle per cui ogni cella ha mediamente un solo 

atomo. Le celle composte contengono invece un numero maggiore di atomi. 

Così, ad esempio, le due celle ccc e cfc di fig. 7 contengono rispettivamente 

2 e 4 atomi per cella in quanto agli 8 atomi che contano per 1/8 disposti ai 

vertici si devono aggiungere nel primo caso l’atomo centrale che appartiene 

tutto alla cella e nel secondo caso i 6 atomi al centro delle face ciascuno dei 

quali conta per ½ perché è condiviso da due celle adiacenti. Per valutare il 

numero medio N di atomi per cella si adotta quindi la relazione generale N = 

Ni + Nf/2 + Nv/8 , dove N è il numero di atomi posseduto mediamente da una 

cella e Ni , Nf e Nv sono, rispettivamente, il numero di atomi che si trovano 

all’interno, sulle facce e ai vertici della cella. 

Si deve infine precisare che l’aspetto esterno di un cristallo può non essere 

immediatamente collegabile con la struttura cristallina. Così, ad esempio, una 

sostanza con struttura cubica può presentare esternamente non solo la forma di 

un cubo, ma anche, ad esempio, 

quella di un ottaedro. 

41


SIMMETRIA CRISTALLINA 

In cristallografia prende il nome di simmetria la regolare ripetizione di 

elementi fisicamente equivalenti. Gli elementi di simmetria che possono 

comparire in un cristallo sono di tre specie : piani, assi e centro di simmetria. 

Piano si simmetria. E’ un piano che divide il cristallo in due parti 

specularmente simmetriche ( fig. 8 ). Ogni piano di simmetria è una faccia reale 

o possibile del cristallo ed è normale a un suo spigolo reale o possibile. 

Fig. 8 Fig. 9 

Asse di simmetria semplice. Per asse di simmetria semplice si intende una 

retta intorno alla quale si deve ruotare il cristallo per avere la sovrapposizione di 

elementi fisicamente equivalenti. Un asse di simmetria si dice di ordine n 

quando l’angolo di rotazione necessario per avere il ricoprimento è 360°/n . A 

seconda che n sia uguale a 2, 3, 4, 6 si hanno assi di simmetria binari, 

ternari, quaternari, senari (fig. 9). Un asse di simmetria è sempre uno spigolo 

reale o possibile del cristallo ed è normale a una sua faccia reale o possibile. 

Centro di simmetria. Per centro di simmetria si intende quel punto interno 

alla cella da cui si dipartono direzioni e controdirezioni fisicamente uguali. 

Rispetto al centro di simmetria ogni punto del reticolo cristallino ha un suo 

simmetrico ( fig.10 ). 

Fig.10 

Ogni sistema cristallino ha un certo numero di elementi di simmetria che 

lo caratterizzano in modo specifico. Nella fig.11 sono schematicamente 

rappresentati gli elementi di simmetria nel sistema cubico. 

3 piani principali 

di simmetria 

6 piani secondari 


3 assi quaternari 


4 assi ternari 


42 

Fig. 11


6 assi binari 


Ciascun tipo di reticolo ha un elemento di simmetria che lo caratterizza in 

modo univoco Così nel sistema cubico sono presenti tre assi quaternari di 

rotazione; in quello tetragonale un solo asse quaternario; in quello ortorombico 

sei assi binari tra loro ortogonali. 

INDICI DI MILLER DELLE DIREZIONI 

L’ordinato ripetersi di atomi (o ioni, o molecole) in un reticolo cristallino 

porta alla formazione di filari di atomi. Ogni atomo può far parte di più filari 

ciascuno dei quali si differenzia dagli altri per una diversa direzione ed, 

eventualmente, per una differente densità atomica. Quest’ultimo caso 

rappresenta il fenomeno dell’anisotropia delle direzioni. Nel sistema cubico a 

corpo centrato di cui alla fig. 12 gli atomi si susseguono 

lungo uno spigolo del cubo a una distanza a; lungo una 

diagonale di una faccia a una distanza a √ 2 e lungo la 

diagonale del cubo a una distanza a √ 3 / 2 . Passando 

dai modelli idealizzati ai modelli a sfere rigide si può 

Fig. 12 

osservare che gli atomi non sono a contatto né lungo la direzione 

corrispondente al lato del cubo né lungo quella della diagonale della faccia, 

mentre lo sono lungo quella della diagonale del cubo; quest’ultima è dunque 

una direzione compatta. 

Questa situazione rende indispensabile definire un criterio per descrivere le 

direzioni cristallografiche. Una direzione cristallografica può essere precisata 

considerando una linea parallela alla direzione e passante per l’origine degli assi 

cristallografici, stimando quali sono le coordinate corrispondenti a un atomo 

qualunque toccato da tale linea e trasformando, se del caso, i valori delle 

coordinate nei tre più piccoli numeri interi. Questi numeri, chiamati indici di 

Miller della direzione, sono genericamente indicati con le lettere u, v, w e 

scritti fra parentesi quadre. Essi indicano di quante volte le componenti del 

vettore ( che unisce l’origine delle coordinate con l’atomo qualunque prescelto ) 

sono più lunghe degli spigoli della cella di riferimento ad esse paralleli. 

Esempi di indici di direzioni in un reticolo cubico. 

Gli indici di Miller per le direzioni corrispondenti agli assi x, y, e z valgono 

(fig.13) rispettivamente [100][010][001]. 

43


Fig. 13 

Altri esempi di indicizzazione sono indicati in fig.14. In taluni casi si vede 

chiaramente che 

Fig.14 

l’origine del vettore della direzione è stato fatto preliminarmente coincidere con 

l’origine delle coordinate. 

Fig.15 

Facendo infine riferimento all’esempio di fig.15 le coordinate del punto A 

valgono 1/2 , 1 , 1/2 ovvero, trasformate in numeri interi, 1, 2 , 1 e quindi gli 

indici di Miller della relativa direzione valgono [121]. 

Se si considerano le tre direzioni [100][010] e [001] e le tre non 

esemplificate [⎯100][0⎯10][00⎯1] si può osservare che ciascuna di esse, 

essendo del tutto arbitraria la scelta dell’origine e dell’orientamento dei tre assi 

x, y, z , può essere considerata come la [100]. 

Le sei direzioni sono cristallograficamente equivalenti e lungo ciascuna di esse 

la distanza fra i punti reticolari è la stessa. L’insieme di queste sei direzioni 

equivalenti viene chiamato famiglia di direzioni e viene contraddistinto con il 

simbolo . Analogamente la famiglia i direzioni è costituita 

dalle direzioni [111][1⎯11][⎯111][11⎯1][⎯1⎯1⎯1][⎯1 1⎯1]][1⎯1⎯1][⎯1⎯1 1]. 

44


Indici di Miller dei piani cristallografici. Un fenomeno di anisotropia 

analogo a quello delle direzioni si riscontra a proposito dei piani cristallografici. 

Nella fig.16 è mostrato il differente addensarsi degli atomi in alcuni piani di un 

Fig.16 

reticolo cubico a facce centrate; sono anche indicate le direzioni compatte 

presenti in ciascun piano. Anche in questo caso è necessario definire un criterio 

di indicizzazione dei piani cristallografici. Questi indici vengono genericamente 

indicati con i simboli h , k , l e sono i reciproci delle intersezioni fra gli assi di 

riferimento e il piano considerato, modificati in modo tale da dar luogo alla 

minima serie di numeri interi. Nell’esempio 

di fig.17, che è relativo a un reticolo cubico, 

Fig.17 

le intersezioni fra il piano segnato e gli assi 

x , y , z sono rispettivamente 1 , 3 , 2 ; 

i loro reciproci valgono 1/1 , 1/3 , 1/2 e , 

passando a valori interi, si hanno i numeri 

6 , 2 , 3. Gli indici di Miller, che vengono 

scritti fra parentesi tonde, sono allora ( 6 2 3 ). Se non venissero usati i 

reciproci delle intersezioni i piani paralleli a uno o più assi avrebbero 

intersezioni con tali assi all’infinito. Mediante il ricorso ai reciproci delle 

intersezioni si ottiene invece 1/∞ = 0 . Consideriamo 

ad esempio, il piano tratteggiato di fig.18 le interse- 

zioni con gli assi x , y , z sono 1 , ∞ , ∞ , i reciproci 

1/1 , 1/∞ , 1/∞ ovvero 1 , 0 , 0 . Gli indici di Miller 

sono ( 1 0 0 ). Se il piano considerato è quello di 

fig. 19 , le intersezioni sono 0 , ∞ , ∞ e i reciproci 

1/0 , 1/ ∞ ,1/ ∞ ovvero ∞ , 0 , 0 e si avrebbe ancora 

un indice uguale a ∞ . Poiché però la scelta della 

origine degli assi è sempre arbitraria, la si può 

spostare, ad esempio, di una unità in avanti o in 

dietro lungo l’asse x . Le intersezioni risultano 

allora rispettivamente ( fig.20 ) -1 , ∞ , ∞ , oppure 

1 , ∞ , ∞ e i relativi indici di Miller diventano (100) 

o (⎯100 ). 

Fig.20 

Fig.18 

Fig.19 

Esempi di indicizzazione di piani reticolari paralleli a due assi cristallografici 

in un reticolo cubico : 

45


Esempi di indicizzazione di piani reticolari paralleli a un asse cristallografico in 

un reticolo cubico : 

Altri esempi di indicizzazione di piani reticolari paralleli a un asse 

cristallografico in un reticolo cubico che comportano lo spostamento 

dell’origine delle coordinate: (fig.21 ). 

Esempi di indicizzazione di piani reticolari in un reticolo cubico: ( fig.22 ). 

Fig.21 

Fig. 22 

L’esame degli esempi precedenti consente di rilevare che in alcuni casi a piani 

ugualmente orientati corrispondono indici diversi. Ad esempio : ( fig.23 ). 

Fig. 23 

Il passaggio da un membro all’altro della coppia si ottiene invertendo le 

soprasegnature. Il numero di piani cristallografici è quindi più ridotto di quanto 

non apparisse dagli esempi precedenti. Sono, ad esempio, solo quattro i tipi di 

piano che intercettano gli assi a una distanza dall’origine uguale allo spigolo del 

cubo e precisamente : 

46


L’insieme di questi quattro piani cristallograficamente equivalenti viene 

indicato con il simbolo { 111 } e costituisce una famiglia di piani. Esistono 

analogamente famiglie di piani del tipo {100} e {110}. 

Si ricorda infine che, per le strutture cubiche, valgono le seguenti regole : 

A) Gli indici di Miller di un piano hanno gli stessi valori 

degli indici della direzione normale al piano. Così, ad 

esempio, se si considera la fig. 24 , si vede che la 

direzione [ 111] è perpendicolare al piano ( 111 ). 

B) La direzione [u v w ] giace nel piano ( h k l ) 

quando è soddisfatta la condizione : hu + kv + lw = 0. 

Nella figura 25 è esemplificato il caso della 

direzione [ 111] e del piano (110 ) per i 

quali si ha : 1 . 1 + 1 .(-1) + 1 . 0 = 0 

Fig.24 

Fig. 25 

C) Due piani ( h1k1l1 ) e h2k2l2 ) sono tra 

loro perpendicolari quando risulta soddisfatta 

la condizione h1h2 + k1k2 + l1l2 = 0. Sono 

così perpendicolari tra di loro i piani (110 ) 

e ( 1⎯10 ) di fig.26 . 

Fig.26 

D) Due direzioni u1v1w1 e u2v2w2 sono tra loro perpendicolari quando risulta 

soddisfatta la condizione u1u2 + v1v2 + w1w2 = 0. Sono, ad esempio, 

perpendicolari le direzioni [ 100 ] e [ 001]. 

La distanza d fra i piani cristallografici di una stessa famiglia viene 

determinata mediante i raggi X e utilizzando la relazione di Bragg nλ = 2d 

senϑ 

Esistono relazioni che collegano le costanti reticolari della cella cristallina con 

gli indici di Miller di una determinata famiglia di piani cristallografici e con la 

distanza fra i piani. Nel sistema cubico è 

47


NUMERO DI COORDINAZIONE 

Il numero di coordinazione è il numero di atomi più vicini che un atomo 

possiede in un determinato reticolo. Così, ad esempio, l'atomo centrale della 

cella cubica a corpo centrato è circondato da otto atomi che distano tutti 

a√3/2 = a.0,87 , mentre un atomo di una cella cubica a facce centrate è a 

contatto con altri dodici atomi distanti a √2/2 = a.0,7. Nella fig.27 questo 

atomo è al centro della faccia comune alle due celle. L’atomo di riferimento è a 

Fig.27 

contatto con tre atomi più vicini all’osservatore (fig.27 A); con sei atomi 

complanari ( fig.27 B) e infine con altri tre atomi più lontani dall’osservatore 

( fig.27 C) . I piani A , B e C sono tra loro paralleli e sono del tipo (111) . Gli 

atomi del piano A (fig.28 ) sono ruotati di 60° rispetto a quelli del piano C. 

48


Fig.28 

Fig.29 

Anche nel reticolo esagonale compatto il numero di coordinazione vale 12 

come si rileva dalla fig.29 facendo riferimento all’atomo centrale del piano B. 

In questo caso gli atomi del piano A , a differenza di quanto osservato nel 

reticolo cfc , sono esattamente sovrapposti a quelli del piano C . 

E’ infine opportuno precisare che i numeri di coordinazione 8 nel reticolo 

ccc, e 12 in quelli cfc ed esagonali compatti non competono solo agli atomi 

messi in evidenza nelle rispettive figure, ma a tutti gli atomi di un certo reticolo 

in quanto ciascuno di essi è circondato allo stesso modo da altri atomi che non 

compaiono nelle figure. 

Nell’elenco che segue sono riportate le strutture cristalline di alcuni metalli : 

cubica a facce centrate : Cu, Ag, Au ,γFe, Ni, Al, Pb 

cubica a corpo centrato : βTi, α Fe, δFe, Cr, Mo 

esagonale compatta : Mg, Zn, α Ti 

Si osserva che alcuni metalli possono presentare più di una struttura 

cristallina. Il fenomeno prende il nome di allotropia ; la struttura assunta 

dipende dalla temperatura. Così α Fe è stabile fino a 911 °C ; γFe tra 911 °C 

e 1395 °C ; δ Fe da 1395° a 1538°C ; α Ti è stabile fino a 880°C e β Ti da 

880° a 1668°C. 

ALCUNE OSSERVAZIONI QUANTITATIVE 

Le dimensioni delle celle elementari sono estremamente ridotte. Esse vengono 

calcolate sulla base di diffrattogrammi dei raggi X . Nel αFe, a struttura cubica 

a corpo centrato, la costante reticolare è a = 2,87A = 0,287 .10 -9 m. Ciò 

significa che in 1 mm ( 10 -3 m ) ce ne sono : 

1 : 0,287.10 -9 = x : 10 -3 ; x = 3,38.10 6 celle elementari. 

49


Considerando gli atomi di una cella elementare come delle sfere si può 

calcolare un Fattore di Compattazione Atomica (FCA) dato dalla : 

volume degli atomi nella cella elementare 

FCA = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 

Volume della cella elementare 

Nel caso del reticolo cubico a corpo centrato, che contiene per ogni cella 2 

atomi di raggio r e che ha costante reticolare uguale ad a , si ha : 

FCA = 2. 4/3 π r 3 / a 3 

Nella cella cubica a corpo centrato gli atomi sono a contatto lungo la diagonale 

del cubo che è costituita da quattro raggi atomici; è cioè : 4r = a √3 ovvero 

a = 4r/√3 ; sostituendo si ha : FCA = 2.4/3 π r 3 / (4r/√3) 3 = 0,68 

Ciò significa che il 68 % del volume della cella è occupato dagli atomi e che il 

restante 32 % corrisponde a siti vuoti che si trovano fra gli atomi. 

Nel caso dei reticoli cubici a facce centrate, che contengono quattro atomi 

per cella,, con gli atomi a contatto lungo la diagonale della faccia del cubo che è 

costituita da quattro raggi atomici, si ha 4r = a √2 da cui a = 4r/√2 e, 

sostituendo, si ha : FCA = 4.4/3π r 3 /(4r/√2) 3 = 0,74 

Cioè il 74% della cella è occupato da atomi e il restante 26 % corrisponde a 

siti vuoti. 

E’ anche possibile, noti la tipologia e i valori delle costanti reticolari di 

una cella, calcolare la densità teorica utilizzando la relazione: 

massa della cella elementare 

densità teorica = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ 

volume della cella elementare 

Il rame ha, ad esempio, peso atomico 63,54 e cristallizza nel sistema cubico a 

facce centrate che comprende quattro atomi per cella; 

la massa della cella elementare vale 4.63,54 /6,02.10 -23 = 42,219.10 -23 g 

la costante reticolare della cella elementare vale : 3,615 A = 3,615. 10 -8 cm 

il volume della cella elementare vale: (3,615.10 -8 ) 3 = 47,242.10 -24 cm 3 

la densità vale: 42,219.10 -23 / 47,242.10 -24 = 8,94 g/cm 3 

Ad esempio il Fe α ha peso atomico 55,85 e cristallizza nel sistema cubico a 

corpo centrato che comprende due atomi per cella; la massa della cella 

elementare vale 2.55,85 / 6.02 · 10 23 = 18,55 · 10 -23 g; il volume della cella 

elementare vale (2,87 · 10 -8 ) 3 = 23,64 · 10 -24 cm 3 ; la densità vale 18,55 · 10 -23 / 

23,65 · 10 -24 = 7,85 g/cm 3 . 

50


I SITI RETICOLARI 

Si è visto, a proposito del fattore di compattazione atomica, che una frazione 

importante delle celle elementari non è occupata dagli atomi. Essa origina siti 

reticolari di differenti geometrie distribuiti regolarmente all'interno dei cristalli. 

Vengono ora presi in considerazione i siti presenti nelle strutture cubiche a corpo 

centrato e cubiche a facce centrate. 

Strutture cubiche a corpo centrato. Indichiamo con ra il raggio degli atomi del 

reticolo e con rs il raggio dei siti interstiziali. Cerchiamo ora quali e quanti sono i 

siti possibili e qual'è il valore del loro raggio. Sono possibili due tipi di siti 

interstiziali : 

Siti ottaedrici. Si trovano ai centri delle facce , ad esempio nella posizione 1/2 , 1/2 , 

0 oppure a metà degli spigoli, ad esempio nella posizione 0 , 0 , 1/2 . Ogni sito è 

circondato da sei atomi. Nel secondo esempio due dei sei atomi sono in 0 , 0 , 0 e in 

0 , 0 , 1 e gli altri quattro sono al centro delle quattro celle che hanno la 

congiungente fra i primi due in comune. Dei sei atomi, due, in A e A' (fig.1), 

distano a/2 dal centro del sito e gli altri quattro sono ad a√2/2 . Il raggio rs del 

sito utile - vedi fig.2 - è dato dalla metà della differenza fra il lato della cella a e il 

doppio del raggio atomico : 2rs = a - 2ra da cui rs = a/2 - ra . Gli atomi A e B' 

sono a contatto lungo la , quindi è 2B'A = 4ra = √a 2 + 2a 2 = a√3 da cui ra = 

a √3/4 e sostituendo rs = a/2 - a √3/4 = a (1/2 - √3/4 ) = 

0,067a = rs. 

Fig. 2 

Siti tetraedrici . Si trovano a metà distanza fra due siti ottaedrici. Ad esempio il sito 

tetraedrico della fig.3 è a metà fra i siti ottaedrici in 1/2 , 1 , 0 e in 1/2 , 1 , 1/2 : ogni 

sito è circondato da quattro atomi del reticolo di base alla distanza = √a 2 + 

(a/2) 2 /2 = √5a 2 /4 /2 = a √5 /4 . Il raggio del sito utile è dato dalla differenza 

a√5/4 - ra , ma , come si è già visto, è ra = a√3 /4 ; da cui rs = a √5/4 - 

a√3/4 = a/4( √5 - √3) = 0,127 a = rs . 

51


Fig. 3 

Struttura cubica a facce centrate. Sono ancora possibili due tipi di siti interstiziali. 

Siti ottaedrici. Come si vede dalla fig.4 si trovano al centro del cubo in 1/2 , 1/2 , 

1/2 e a metà degli spigoli, ad es. in 1/2 , 0 , 0 . Ciascun sito ha sei atomi vicini 

distanti a/2 e il suo raggio è dato da rs = a/2 - ra . Gli atomi sono a contatto lungo 

una direzione per cui il raggio atomico è dato da ra = a √2/4 e, sostituendo, 

si ha rs = a/2 - a √2/4 = 0,147a = rs . 

Fig. 4 Fig.5 

Siti tetraedrici. Sono al centro dei piccoli cubetti che costituiscono un ottavo del 

cubo e quindi , ad esempio, in 1/4 , 1/4 , 1/4 oppure in 3/4 , 3/4 , 1/4 - fig.5. 

Ciascun sito ha quattro vicini a una distanza pari a un quarto della diagonale del cubo 

e quindi ad a√3/4 . Il raggio del sito vale rs = a√3/4 - ra , ma ra , come abbiamo 

visto, vale a √2/4 e, sostituendo, si ha 

rs = a √3/4 – a√2/4 = a/4 (√3 - √2 ) = 0,08a = rs 

Esistono siti reticolari anche nelle strutture esagonali compatte; in questo caso per i 

siti ottaedrici è rs = 0,207a e per quelli tetraedrici è rs = 0,114a. 

SOLUZIONI SOLIDE 

52


Un materiale cristallino può essere formato da un'unica fase costituita, ad 

esempio, da tutti atomi di rame o di ferro, oppure da ioni Mg ++ e da ioni O -- nei 

cristalli di MgO. E' peraltro possibile ottenere sistemi monofasici in cui, ad esempio, 

una parte degli atomi di rame è sostituita da atomi di nichel , oppure la cella 

elementare del ferro ospita al suo interno atomi di carbonio, oppure una parte degli 

ioni Mg ++ è sostituita, nel composto ionico MgO, da ioni Fe ++ : a questi materiali 

omogenei viene dato il nome di soluzioni solide. In quanto soluzioni la loro 

composizione varia entro limiti talvolta molto estesi, sempre rimanendo omogeneo il 

sistema. 

Si distinguono due tipi di soluzioni solide. Le soluzioni solide per sostituzione 

che si hanno quando gli atomi o gli ioni di una specie sostituiscono nel reticolo 

cristallino quelli della specie primitiva;le soluzioni solide per intrusione o interstiziali 

che si hanno quando gli atomi di una specie si inseriscono nei siti interstiziali del 

cristallo primitivo. I modelli bidimensionali dei due tipi di soluzione sono riprodotti 

nella fig.6. 

SOLUZIONI SOLIDE PER INTRUSIONE 

Abbiamo visto che i raggi dei siti interstiziali sono dell'ordine di qualche decimo 

dei raggi degli atomi del reticolo di base. Potranno quindi entrare in soluzione 

interstiziale solo atomi di piccole dimensioni come l'idrogeno e gli atomi degli 

elementi del secondo periodo del sistema periodico. 

atomo H O N C B 

raggio atomico (in Å ) 0,30 0,66 0,71 0,77 0,87 

Per poter valutare l'estensione delle soluzioni solide interstiziali occorre 

conoscere le dimensioni dei siti. Si considerino i seguenti esempi : 

αFe , struttura cubica a corpo centrato , a = 2,866 Å 

raggio del sito ottaedrico = 0,067a = 0,192 Å 

raggio del sito tetraedrico = 0,127a = 0,364 Å 

γFe , struttura cubica a facce centrate , a = 3,646 Å 


Pb , struttura cubica a facce centrate , a = 4,91 Å 


53


Tenuto conto dei raggi atomici dei metalli e della tipologia e dei valori delle 

costanti reticolari delle loro celle elementari, i possibili elementi interstiziali hanno 

tutti, eccetto l'idrogeno, un raggio atomico più grande di quelli dei siti a disposizione. 

La loro introduzione provoca quindi una deformazione reticolare e si verificherà di 

massima in quei siti per i quali tale deformazione risulta minima. Nelle strutture cfc 

ed exc gli atomi interstiziali si collocano nei siti ottaedrici. Nelle strutture ccc - vedi 

figg. 1 e 2 - il problema è più complesso in quanto i siti ottaedrici sono asimmetrici. 

Se un atomo interstiziale entra in un sito ottaedrico deve spostare solo i due atomi A 

e A' lungo una direzione poco densa mentre, se entra in un sito tetraedrico, deve 

spostare quattro atomi lungo direzioni dense. In generale, ad es. C e N nel ferro α 

, gli atomi interstiziali entrano nei siti ottaedrici. Di conseguenza la loro solubilità 

sarà minore nella struttura ccc che in quella cfc dove i siti sono più grandi. 

SOLUZIONI SOLIDE SOSTITUZIONALI 

Nelle soluzioni solide sostituzionali una parte dei punti reticolari degli atomi del 

solvente A sono occupate da atomi B senza che vi sia modificazione nella struttura 

cristallina di A. Si osserva solamente che le costanti reticolari di quest'ultimo 

variano con la concentrazione di B . Gli atomi di A e di B possono distribuirsi in 

modo del tutto casuale oppure dar luogo a una soluzione solida perfettamente 

ordinata oppure ancora possono originare raggruppamenti delle due specie atomiche 

(fig.7). 

Fig. 7 

Le soluzioni solide possono essere complete quando la sostituzione degli atomi di 

solvente A con atomi di soluto B nel reticolo cristallino ha la massima estensione 

e si passa quindi con continuità dal 100 % di atomi A al 100 % di atomi B . In 

altri casi la sostituzione di atomi A con atomi B è solo parziale; è allora possibile 

individuare la composizione della fase solida primaria cui corrisponde la massima 

solubilità di B in A; questa viene chiamata soluzione solida limite. Si osserva di 

frequente, nel caso di miscibilità parziale allo stato solido, che, se il soluto B 

sostituisce parzialmente il solvente A, allora anche il soluto A si scioglie 

54


parzialmente nel solvente B. L'estensione delle due soluzioni solide primarie, 

rispettivamente ricche in A e in B, è di solito differente. In ogni caso l'estensione 

delle soluzioni solide dipende dalla temperatura aumentando con essa in misura, 

talvolta, molto significativa. 

Per avere un'idea dell'estensione delle soluzioni solide si può fare riferimento ad 

alcune regole che definiscono le condizioni necessarie, ma non sufficienti, affinché si 

abbiano campi estesi di soluzione solida. I due costituenti A e B devono : 

- avere la stessa struttura cristallina; 

- avere dimensioni atomiche che differiscano di poco ( non più del 15 % ); 

- essere vicini nella scala delle elettronegatività avendo configurazioni elettroniche 

- simili. 

Si può inoltre tener presente che la solubilità è più forte per un soluto di valenza 

elevata in un solvente di valenza bassa che non viceversa. E' inoltre spesso rispettata 

, a temperatura ambiente, la regola della concentrazione elettronica , con quest'ultima 

che è definita dal rapporto fra gli elettroni di valenza e il numero degli atomi presenti 

nella soluzione solida limite. 

Consideriamo la solubilità massima, a temperatura ambiente, nel rame degli 

elementi che lo seguono nella classificazione periodica. 

elemento Zn Ga Ge As 

solubilità ( % at.) nel Cu 38 20 12 7 

conc.elettron./ n° atomi 1,38 1,40 1,36 1,3 

Nel caso della soluzione solida Cu – Ga, ad es., ogni cento atomi ve ne sono 80 di 

Cu e 20 di Ga. Gli elettroni di valenza sono : 80 x 1 + 20 x 3 = 140 per cento 

atomi. La concentrazione elettronica vale 140/100 = 1,4. Valori simili per la 

concentrazione elettronica si possono calcolare anche per le altre soluzioni solide 

primarie ricche in rame ; queste vengono usualmente indicate come fasi α. 

L'applicazione di questa regola presenta qualche difficoltà in quanto, specie per gli 

elementi di transizione, è difficile precisare il numero degli elettroni di valenza. 

Quest'ultimo viene spesso identificato con il numero del gruppo nella classificazione 

periodica con la regola empirica che gli elementi dell'ottavo gruppo hanno zero 

elettroni di valenza. 

SOLUZIONI SOLIDE PER SOSTITUZIONE ORDINATE 

Supponiamo che gli atomi di B siano più piccoli di quelli di A . In questo caso 

la struttura più compatta si realizza solo se gli atomi di A e di B anzichè disporsi 

casualmente si distribuiscono con regolarità in modo che vi sia un alternarsi di grosse 

sfere e di piccole sfere (fig.8). Un tale arrangiamento può verificarsi in modo perfetto 

solo se gli atomi di A e di B sono in un determinato rapporto 

stechiometrico, ad es. A3B , AB , AB3. Nell'esempio della figura gli atomi di B 

sono preferenzialmente circondati da atomi di A . Un arrangiamento 

55


ordinato è favorito da una sufficiente differenza di elettronegatività di A e B 

nel senso che, da un punto di vista energetico, i legami interatomici AB sono 

favoriti rispetto ai legami AA e BB . 

Questa condizione si traduce nella relazione 

∆H = HAB - 1/2 ( HAA + HBB ) < 0 

dove le energie di legame H sono negative in quanto il legame fra due atomi 

diminuisce l'energia potenziale del sistema costituito dai due atomi separati. 

Una distribuzione ordinata sarà distrutta ad alta temperatura in conseguenza di 

fenomeni di agitazione termica. Per ogni struttura ordinata è possibile stabilire una 

temperatura critica Tc, tanto più bassa quanto più piccolo è il valore di ∆H , al di 

sopra della quale la struttura ordinata sparisce. L'ordine corrisponde a uno stato a 

energia minima ( ∆H < 0 ) mentre al disordine corrisponde uno stato di entropia 

massima. Il prevalere di una o dell'altra fra queste due quantità che compaiono 

nell'equazione dell'energia libera ∆G = ∆H - T∆S determina gli intervalli di 

temperatura di stabilità rispettivamente della soluzione solida ordinata e di quella 

disordinata. In certi sistemi Tc è così bassa che la soluzione ordinata non si può 

formare in quanto gli atomi, a basse temperature, non hanno più una mobilità 

sufficientemente elevata da far loro assumere un assetto ordinato.- E' questo il caso 

di soluzioni Fe - Ni che hanno Tc 300°C. 

Esempi di soluzioni solide ordinate. 

1°) tipo Au - Cu. Come si vede dalla fig. 9 per una composizione equiatomica la 

disposizione ordinata Au – Cu consiste nell'alternarsi di 

piani (001) di atomi di Cu e di piani (001) di atomi di Au. La struttura perde 

alcuni dei suoi elementi di simmetria. Scompaiono, ad 

es., i tre assi quaternari tipici del sistema cubico e rimane un solo asse 

quaternario tipico del sistema tetragonale. Ogni atomo ha, a contatto, quattro atomi 

della sua stessa specie ( ad a√2 /2 ) e otto atomi dell'altra specie sempre alla 

distanza di a√2 /2. Questa distribuzione ordinata di atomi di dimensioni differenti 

porta a una deformazione della cella che, nel caso della lega "AuCu" , conduce a un 

valore del rapporto fra le costanti reticolari pari a c/a = 0,93. 

56


2°) tipo AuCu3. Come si vede dalla fig.10 gli atomi di una specie si trovano ai 

vertici del cubo e quelli dell'altra specie al centro delle facce. Questa 

distribuzione corrisponde proprio alla composizione stechiometrica AuCu3. Ogni 

atomo Au ha a contatto 12 atomi Cu mentre ogni atomo Cu ha a contatto 8 

atomi Cu e 4 atomi Au . 

Fig. 10 

3°) tipo CuZn (ottone β) o tipo CsCl. Questa struttura deriva da un reticolo ccc e 

la disposizione ordinata - fig.11 - presenta un alternarsi di piani Cu e 

Zn del tipo (001). Una specie atomica occupa il centro mentre l'altra specie 

occupa i vertici. Ogni atomo ha a contatto otto atomi dell'altra specie. Tale 

distribuzione si osserva, tra gli altri , nei sistemi Cu - Zn ; Ni -Al ; Fe - Al. 

Fig. 11 

4°) tipo Fe3Al . Nelle soluzioni ccc Fe - Al si possono immaginare diverse 

strutture ordinate in relazione a differenti composizioni, ma in pratica sono state 

osservate solo quelle corrispondenti alle composizioni FeAl e Fe3Al . La prima è 

del tipo dell'ottone β’ mentre nella seconda - Fig.12 - gli atomi di Al formano una 

cella cfc di costante reticolare 2a. 

57


Fig. 12 

Strutture ordinate esistono anche in altri sistemi cristallini. Nel sistema esagonale 

possono assumere un assetto ordinato, ad esempio, le soluzioni del tipo MgCd3 , 

MgCd , Mg3Cd . 

Tutte le strutture ordinate descritte esistono in un intervallo di composizione 

relativamente esteso attorno alla composizione stechiometrica. 

LA TRASFORMAZIONE REVERSIBILE ORDINE-DISORDINE 

Nella figura 13 è riportata, per una soluzione solida ordinata, la variazione del 

grado di ordine ζ con la temperatura. Si rileva che tale variazione reversibile è 

molto forte in prossimità della temperatura critica Tc. L'andamento suggerisce che, 

se si vogliono ottenere rapidamente strutture ordinate occorre, al raffreddamento, 

mantenere la temperatura poco al di sotto del valore Tc in quanto, in queste 

condizioni, la trasformazione disordine → ordine è praticamente completa e la 

temperatura relativamente elevata garantisce della rapidità della trasformazione. 

Quanto alla rapidità occorre osservare che nel passaggio disordine ↔ ordine gli 

atomi devono spostarsi, attraverso processi di diffusione, compiendo percorsi di 

modesta lunghezza. 

Fig. 13 

Frequentemente le trasformazioni ordine ↔ disordine avvengono anche per 

composizioni che si discostano da quelle stechiometriche A3B , AB , AB3 , ecc.. In 

questi casi il valore di Tc è tanto più basso quanto più ci si scosta dalla 

composizione stechiometrica e, in talune condizioni di temperatura e di 

58


composizioni, si possono ottenere solidi bifasici, con differenti composizioni e 

costanti reticolari, corrispondenti alla soluzione disordinata e alla fase ordinata. 

La trasformazione disordine → ordine può essere evidenziata attraverso l'analisi 

della diffrazione dei raggi X allorchè è accompagnata da una variazione della 

struttura cristallina. La distruzione dell'assetto ordinato conseguente a un aumento 

di temperatura può essere evidenziato da misure di capacità termica in funzione 

della temperatura. Si osserva (Fig.14) un brusco aumento della capacità termica 

C in prossimità della temperatura Tc da collegarsi all'energia aggiuntiva 

necessaria per rompere l'assetto ordinato della struttura. 

Il passaggio disordine → ordine è anche accompagnato da un aumento della massa 

volumica o densità d; quest'ultima diminuisce (Fig.15) all'aumentare della 

temperatura in quanto la massa rimane costante e il volume aumenta per 

effetto della dilatazione termica. Il passaggio dall'assetto ordinato compatto a 

quello disordinato meno compatto, alla temperatura Tc , provoca un'ulteriore 

brusca diminuzione della densità. 

Fig. 14 Fig. 15 

Il passaggio ordine → disordine è anche accompagnato da una variazione della 

resistività elettrica. Quest'ultima aumenta (Fig.16) con La temperatura in quanto 

l'ampiezza delle vibrazioni termiche degli atomi dei conduttori aumenta con la 

temperatura contrastando sempre più il fluire degli elettroni. Questa diffusione 

delle onde elettroniche è inoltre dipendente dal grado di ordine della struttura 

ed è minore in una struttura ordinata. Ciò spiega il brusco aumento della 

resistività in prossimità della temperatura Tc. La trasformazione ordine → disordine 

comporta una forte variazione di alcune caratteristiche meccaniche. A temperature 

superiori a Tc è presente una disposizione disordinata, caratterizzata da buona 

duttilità e malleabilità, poco dura (dur.) (Fig.17) e con valore basso del modulo 

elastico E. 

Fig. 16 Fig. 17 

59


In queste condizioni, è cioè a caldo, il materiale può essere facilmente lavorato 

attraverso deformazioni plastiche. Conclusa questa lavorazione il componente può 

essere rafforzato e indurito a seguito di una permanenza a una temperatura di poco 

inferiore a Tc nel corso della quale avviene con rapidità la trasformazione disordine 

→ ordine. Si lavorano pertanto a caldo gli ottoni ( leghe Cu-Zn) che contengono più 

del 39 % di Zn nei quali è presente la fase "CuZn" o le leghe Au-Cu con 25 % di 

atomi di Au nelle quali è presente la fase "AuCu3". 

Infine la trasformazione ordine ↔ disordine può avere riflessi sulle proprietà 

magnetiche dei materiali. A temperature superiori a Tc il materiale allo stato 

disordinato è paramagnetico, ma diventa ferromagnetico a temperature inferiori a Tc 

quando assume l'assetto ordinato. Un esempio è dato dalla lega contenente, come 

percentuale atomica, 75 % di Ni e 25 % di Mn che diventa ferromagnetica quando 

assume la struttura ordinata corrispondente alla fase "Ni3Mn". 

Un comportamento analogo mostra la lega di composizione corrispondente alla 

fase "Cu2MnAl" (Fig.18) a proposito della quale si sottolinea che sono possibili 

trasformazioni ordine ↔ disordine anche in materiali che contengono più di due 

specie atomiche. Nel caso specifico, inoltre, l'assetto ordinato conferisce al 

materiale proprietà ferromagnetiche nonostante che nella composizione non 

compaiano atomi degli elementi tipicamente ferromagnetici Fe, Co, Ni . 

FASI INTERMEDIE 

Fig. 18 

Due sostanze che non formano una soluzione solida completa possono dar luogo, 

oltre che a soluzioni solide parziali interstiziali o sostituzionali (ordinate o 

disordinate), anche a fasi intermedie con struttura cristallina differente. Queste 

possono essere costituite da soluzioni solide intermedie, quando presentano latitudine 

di composizione, oppure da composti intermedi quando hanno composizione fissa e i 

componenti disposti in modo ordinato. Nel caso in cui le due sostanze siano metalli 

si parla di fasi e di composti intermetallici, quando invece uno dei due elementi non è 

un metallo si parla di composti semimetallici : in questo caso la natura del legame è 

prevalentemente covalente o ionica. La possibilità di esistenza delle soluzioni solide 

60


e dei composti sopracitati dipende, analogamente a quanto osservato a proposito 

delle soluzioni solide primarie, da fattori dimensionali, di valenza, di concentrazione 

elettronica, di elettronegatività. La temperatura può influenzare notevolmente 

l'estensione della loro composizione. 

Come esempi di fasi intermedie si possono citare le fasi di Hume-Rothery, i 

composti semimetallici, i composti interstiziali. 

1) fasi di Hume-Rothery o composti elettronici. Si è notato che nei sistemi Cu - Zn , 

Cu - Al , Cu - Sn e nei sistemi analoghi contenenti Ag , le soluzioni solide 

intermedie CuZn , Cu3Al , Cu5Sn hanno una struttura ccc e una concentrazione 

elettronica che vale rispettivamente 1 + 2.1 / 2 = 3/2 ; 3.1 + 1.3 / 4 = 3/2; 5.1 + 1.4 / 

6 = 3/2 . A questo tipo di fase, caratterizzato da un valore 1,5 della concentrazione 

elettronica è stato dato il nome di fase β . Si è inoltre osservato che in corrispondenza 

di tale concentrazione elettronica si possono avere diverse strutture cristalline : quella 

ccc del CuZn disordinata, quella cubica tipo CsCl del CuZn β' ordinato, quella 

cubica complessa del Mn (es.Ag3Al) e anche infine quella esagonale compatta (es. 

AgZn). 

Nei tre sistemi Cu - Zn , Cu - Al , Cu - Sn si è inoltre osservato che diminuendo 

la percentuale di rame compaiono altre fasi intermedie e precisamente quelle di 

"formula" Cu5Zn8 , Cu9Al4 e Cu31Sn8 con una concentrazione elettronica che vale 

rispettivamente 5.1 + 8.2 / 13 = 21/13; 9.1 + 4.3 / 13 = 21/13 ; 31.1 + 8.4 / 39 = 

21/13 . Generalmente queste fasi, chiamate fasi γ , hanno una struttura cristallina 

cubica complessa con cella elementare molto grande ( nel caso, ad es., di Cu5Zn8 

essa contiene 52 atomi ). 

Si è infine verificato che in alcuni sistemi, ad esempio Cu - Zn , Cu - Sn , 

quando il tenore di Cu diminuisce ulteriormente si formano fasi tipo CuZn3 e 

Cu3Sn caratterizzate da una concentrazione elettronica 1.1 + 3.2 / 4 = 7/4 e 3.1 + 

1.4 / 4= 7/4 . Queste fasi hanno una struttura esagonale compatta e vengono indicate 

come fasi ε . 

61


Osservazioni di questo tipo sono state estese in modo sistematico e si è osservato che 

un gran numero di composti contenenti metalli di transizione soddisfano alle 

condizioni di Hume-Rothery (vedi tabella) purché si attribuisca valenza zero ai 

metalli dell'ottavo gruppo. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che questi metalli 

hanno il livello energetico d incompleto. Il Ni , ad es., mette in comune con l'altro 

componente i suoi due elettroni di valenza, ma altrettanti ne assorbe per riempire il 

proprio livello 3d : come risultato si ha che il suo contributo elettronico è nullo. 

2) composti semimetallici. Si tratta di composti fra un metallo e un elemento dei 

sottogruppi B (Te , Se , S , As , Sb , Bi , Pb , Si , Sn) la cui stabilità è tanto più 

grande quanto più il metallo è elettropositivo e l'elemento B è elettronegativo. 

Alcuni di questi composti intermedi hanno composizioni rappresentabili da una 

formula AxBy che rispetta le usuali regole della valenza e vengono chiamati 

"composti di valenza". Il campo di esistenza è di solito limitato a causa della natura 

del legame chimico che non è metallico, ma piuttosto direzionale di tipo covalente; 

ne derivano proprietà caratteristiche quali durezza elevata, fragilità, forte resistenza a 

trazione. Le strutture più tipiche sono tre : NiAs , ZnS e CaF2. 

Struttura tipo NiAs. Si tratta di una struttura esagonale (fig.19) caratterizzata 

dall'alternarsi di piani metallici e non metallici. Un gran numero di composti fra 

62


metalli di transizione con elementi IIIB , IVB ,VB , VIB appartengono a questa 

classe. 

Struttura tipo ZnS o ZnO. Entrambi questi composti hanno strutture 

tetraedriche (fig. 20) rette da legami covalenti ( legami direzionali a basso grado di 

coordinazione). Si tratta quindi di composti del tipo III-V ,II-VI , I-VII ; ad es. InSb, 

GaAs, ZnS, CdS, ZnSe, CdSe, alcuni dei quali hanno proprietà di semiconduttori 

intrinseci. 

Struttura tipo fluorite CaF2. Sono composti del tipo AB2 (fig.21), ad es. Mg2Si , 

Mg2Sn, Mg2Pb con un rapporto elettroni/atomi = 8/3 , oppure composti di carattere 

più metallico come PtSn2 o AuAl2. Hanno in genere punti di fusione elevati. A 

differenza dei composti ionici tipo CaF2 cui assomigliano presentano o elevata 

conducibilità elettrica o proprietà di semiconduttori. 

Composti con elementi interstiziali. Gli atomi di piccole dimensioni come H , B , C , 

N , O entrando in soluzione interstiziale nei metalli possono formare composti che 

presentano alcune caratteristiche metalliche come lucentezza e conduttività, ma che 

devono essere regolati da strutture covalenti come dimostrano l'elevata durezza e 

l'alto punto di fusione. 

sostanza TiC ZrC NbC TaC TiN ZrN NbN TaN 

T.fusione °C 3150 3530 3500 3900 2940 2980 2200 3087 

Secondo Hagg possono essere classificati in base al rapporto rX/rM fra i raggi 

atomici del non metallo X e del metallo M . 

1) composti di Hagg. : rX/rM < 0,59 : Gli atomi metallici formano un reticolo 

compatto cfc o exc . Gli atomi X occupano interstizi ottaedrici e sono a contatto 

con tutti gli atomi M vicini. Se gli atomi M formano un reticolo cfc si hanno 

composti MX del tipo di quelli indicati nella prima tabella. Se invece formano un 

reticolo exc si hanno composti M2X del tipo di quelli della seconda tabella. 

Carburi TiC, ZrC, VC, NbC, UC, TaC 

Nitruri TiN, ZrN, VN, NbN, UN, TaN 

63


Ossidi TiO, ZrO, VO, NbO, UO 

Idruri Ti2H, Ta2H, Zr2H 

Nitruri Mn2N, Cr2N, Fe2N 

Carburi Ta2C, W2C, Mo2C 

Questi composti possono formare fra loro soluzioni solide in quanto gli atomi di 

C , N , O , B possono sostituirsi senza grandi variazioni reticolari; si formano così 

carbonitruri, ossicarburi, ecc..Si possono avere sostituzioni anche fra gli atomi 

metallici; così ZrN e NbN oppure TiC e VC formano soluzioni solide continue. 

I composti di Hagg possono presentare forti deviazioni dalla composizione 

stechiometrica ( ad es. TixC con 0,6 < x < 1 ). 

2)-Carburi complessi : rX / rM > 0,59. Quando la regola di Hagg non è verificata 

la struttura diventa più complessa. Fra gli esempi si può citare la cementite, Fe3C, 

ortorombica, presene in buona parte delle leghe ferrose nella quale rC / rFe = 0,63 

e alcuni carburi presenti in leghe inossidabili o refrattarie del tipo Cr23C6, cubico, 

Cr7C3, esagonale , Cr3C2, ortorombico. 

64


DIFETTI RETICOLARI 

La struttura cristallina ideale dei materiali esposta in precedenza si scosta da 

quella reale nel senso che in quest'ultima sono presenti diversi tipi di difetti che ne 

influenzano profondamente il comportamento. Queste imperfezioni possono 

interessare un punto del reticolo (difetti puntiformi come vacanze e autointerstiziali) , 

una serie di punti reticolari allineati (difetti lineari o dislocazioni), una superficie 

(difetti di superficie come i bordi di grano o di subgrano) un volume (difetti di 

volume come ad es. i difetti di impilamento o i geminati). 

Per quanto concerne le dislocazioni, la loro esistenza, ipotizzata per 

giustificare il fatto che la resistenza meccanica dei materiali reali è di alcuni 

ordini di grandezza inferiore a quella calcolabile teoricamente, è stata 

confermata attraverso l'osservazione diretta al microscopio elettronico. 

DIFETTI CRISTALLINI PUNTIFORMI 

I difetti cristallini puntiformi sono classificabili in difetti elettronici e atomici. I 

difetti elettronici sono sostanzialmente legati al passaggio di elettroni dal livello 

energetico che loro compete in una determinata banda a uno stato eccitato a maggior 

contenuto energetico nell'ambito della stessa banda o di un'altra banda. Questo tipo di 

difetto è fondamentale per le proprietà dei semiconduttori, ma non verrà ora preso in 

considerazione. 

I difetti atomici sono interpretabili, sulla base di un modello strutturale a sfere, 

ricorrendo allo schema di fig.1. I difetti 1 e 2 corrispondono ad atomi estranei, più 

piccoli e più grandi dell'atomo di base, presenti in una soluzione solida per 

sostituzione. Il difetto 3 è costituito da un atomo estraneo in posizione interstiziale 

e, come i due precedenti, è già stato considerato nel capitolo delle soluzioni 

solide. Il difetto 4 , chiamato anche difetto Skottky, costituisce invece una lacuna 

ovvero una vacanza nel reticolo cristallino mentre l'imperfezione 5 è formata da 

Fig.1 un atomo del metallo base posto in posizione interstiziale. Quest'ultimo 

difetto viene anche chiamato autointerstiziale per distinguerlo da quello n° 3. La 

contemporanea presenza di una vacanza e di un autointerstiziale (difetti 4 e 5) 

costituisce un difetto di Frenkel. 

Fig. 1 

65


Ci occuperemo ora delle vacanze e degli autointerstiziali precisando che la loro 

formazione può essere dovuta a fenomeni di agitazione termica, di incrudimento, di 

irradiazione. Il più importante dei due difetti è quello delle vacanze, sia perché è assai 

più frequente, sia perché la sua comprensione è indispensabile per l'interpretazione dei 

fenomeni di diffusione nei solidi. 

Una vacanza in un reticolo può essere rappresentata come una buca. Essa è in 

grado di muoversi dentro il cristallo in conseguenza del salto di un atomo da una 

posizione attorno alla buca entro la buca stessa (Fig.2). 

Fig. 2 

Per effetto dello spostamento della vacanza vi è dunque un movimento, ovvero una 

diffusione degli atomi circostanti. Si può immaginare che le vacanze vengano create 

dal passaggio di atomi dall'interno del cristallo verso la superficie (fig.3) . Questo 

passaggio 

Fig. 3 

richiede un certo lavoro sia per vincere le forze di attrazione esercitate sull'atomo che 

si muove da parte degli atomi a contatto sia per compiere il passaggio. Questo lavoro è 

fornito dalle vibrazioni termiche del reticolo cristallino. Al crescere della temperatura 

le vibrazioni termiche diventano più intense ovvero sono in grado di fornire a un 

maggior numero di atomi l'energia sufficiente al loro spostamento. Ad alte 

temperature si avranno pertanto molte vacanze che saranno inoltre dotate di grande 

mobilità; ne consegue che all'aumentare della temperatura aumenta anche rapidamente 

la velocità di diffusione. 

Concentrazione di equilibrio delle vacanze. La concentrazione di equilibrio delle 

vacanze può essere rappresentata dalla relazione nv/no = e -Q f /RT dove nv/no è il 

rapporto fra il numero di vacanze nv e il numero di posizioni reticolari no, Qf è 

l'energia di attivazione, cioè il lavoro richiesto per formare una mole di vacanze; R è 

la costante dei gas e T è la temperatura assoluta. 

66


Nel caso del Cu l'energia di attivazione è di circa 83.700 J per mole di vacanze. 

Ricordando che R vale 8,3 J mole -1 grado -1 , si ha : 

nv/no = e - 83.700/8,3T = e -10.000/T . 

- Allo zero assoluto è nv/no = e -10.000/0 = 0 , cioè il numero delle vacanze di equilibrio 

vale zero. 

- A 300 K è nv/no = e -10.000/300 = e -33 = 4,45 . 10 -15 ; vi è cioè una vacanza circa ogni 

4 milioni di miliardi di posizioni reticolari. 

- A 1350 K ( il Cu fonde a 1356 K ) è nv/no = e -10.000/1350 = e -7,40 = 6,1.10 -4 = 10 -3 ; 

vi è cioè , in prossimità della temperatura di fusione una vacanza ogni mille posizioni 

reticolari il che significa, tenuto conto della distribuzione spaziale, che la distanza 

media fra due vacanze è dell'ordine di 10 distanze interatomiche. A temperatura 

ambiente (300 K) nv/no è dell'ordine di 10 -15 e quindi la distanza media fra le vacanze 

è di circa 10 5 distanze interatomiche. 

Si può, per inciso, osservare che è ora possibile calcolare l’energia di formazione di 

una vacanza. Nel caso del Cu l’energia di attivazione si può ricavare ricordando 

che 1 eV = 1,6 10 -19 coulomb·volt . Ma è coulomb·volt = joule e quindi 1 eV = 1,6 

.10 -19 joule. Dalla proporzione 

1 : 1,6.10 -19 = x : 83.700 / 6,02.10 23 si ricava x = 0,87 eV 

Mobilità delle vacanze . Una volta stabilito il rapporto in condizioni di equilibrio fra 

vacanze e posizioni occupate occorre precisare quanto tempo è necessario per 

conseguire condizioni di equilibrio. Questo tempo sarà breve alle alte temperature e 

lungo alle basse temperature. Ci si propone ora di chiarire quale legge regola il 

movimento delle vacanze ovvero regola i salti successivi degli atomi dentro le 

vacanze. 

Un atomo salta in una vacanza solo se possiede un'energia vibrazionale superiore 

a un certo valore q .In un sistema di atomi vi sarà una certa distribuzione delle 

energie e la probabilità P che un atomo possegga tale energia sarà tanto più grande 

quanto più elevata è la temperatura e quanto più piccolo è il valore di q . Si è trovato 

che questa probabilità è proporzionale alla funzione e -q/KT , cioè 

P = cost. e -q/KT . A questa funzione dovrà anche essere proporzionale la probabilità 

che si abbia un salto. Si può scrivere che asv = A e -q/KT ovvero, moltiplicando 

numeratore e denominatore dell'esponente per il numero di Avogadro, asv = A e -Q m /RT 

dove asv è il numero di salti al secondo nelle vacanze, Qm è un'energia di attivazione 

in J/mole ed è l'energia necessaria perchè una mole di atomi salti nelle vacanze. Il 

termine A è una costante che dipende dal numero di atomi che circondano una 

vacanza (quanti più sono tanto più elevata sarà la frequenza dei salti) e dalla velocità e 

ampiezza di vibrazione degli atomi (quanto più sono elevate tanto maggiore è la 

possibilità di compiere un salto). 

Nel caso del Cu, A vale circa 10 15 e Qm circa 121.300 J/mole. 

- A 300 K è asv = 10 15 e -121.300/R300 = 10 15 e -48 = 10 -6 , cioè fra un salto e l'altro passano 

circa 10 6 secondi cioè circa 11 giorni. 

67


- A 1350 K è asv = 10 15 e -121.300/R1350 = 3.10 10 salti al secondo; cioè una vacanza 

compie in un secondo circa 30 miliardi di spostamenti. 

Si è così valutato qual'e il numero di salti in una vacanza in un secondo; si può ora 

calcolare quanti salti mediamente si compiono in un secondo quando in un cristallo 

sono presenti un certo numero di vacanze di equilibrio. Questo numero di salti è dato 

dal prodotto tra il rapporto fra vacanze e posizioni reticolari occupate nv/no per il 

numero di 

salti per secondo in una vacanza asv ; è aSA = nv/no . A e -Qm /RT dove aSA è il 

numero dei salti atomici per secondo ; ma è nv/no = e -Qf/RT da cui si ha : aSA = A . 

e -(Qf +Qm)/RT ; cioè la velocità con la quale gli atomi si muovono dipende sia dal lavoro 

necessario per formare una mole di vacanze ( Qf ) che dal lavoro necessario per 

portare una mole di atomi nelle vacanze (Qm ). 

Riassumendo per il caso del rame, si è visto che il rapporto fra vacanze e posizioni 

reticolari a 1350 K è di 1 a mille mentre a 300 K è di 1 a 4,5 10 15 con un fattore 

di decremento di circa 10 12 . Nello stesso intervallo termico il numero di salti al 

secondo varia da 3.10 10 a circa 10 -6 con un fattore di decremento di 10 16 . Ne 

consegue che fra la temperatura prossima a quella di fusione e la temperatura 

ambiente la velocità media del movimento atomico diminuisce di un fattore di 10 -28 . 

Ovvero a 1350 K le vacanze nel rame sono distanti l'una dall'altra di 10 distanze 

interatomiche e gli atomi saltano in queste vacanze al ritmo di circa 30 miliardi di 

salti al secondo mentre a 300 K le vacanze sono tra loro distanti 100.000 posizioni 

reticolari e gli atomi vi saltano dentro al ritmo di un salto ogni 11 giorni. Si può 

concludere che nel rame , a temperatura ambiente, non possono variare quelle 

proprietà che sono legate a processi di diffusione. Ciò non è ugualmente vero per tutti 

i metalli. Nel caso del Pb , ad esempio, le vacanze a temperatura ambiente sono fra 

loro distanti solo 100 posizioni reticolari e si spostano 22 volte in un secondo ( 

contro le 10 -6 volte/sec del Cu ). Nel piombo, già a temperatura ambiente, possono 

verificarsi, a seguito di processi di diffusione, variazioni di alcune proprietà. 

ALTRI DIFETTI PUNTIFORMI 

Un altro difetto puntiforme è costituito da un atomo in posizione interstiziale. 

Questo atomo può essere differente rispetto agli atomi del reticolo base ( e darà allora 

origine a una soluzione solida interstiziale) oppure può essere uguale. Delle soluzioni 

solide interstiziali ci siamo già occupati. Il numero di atomi uguali interstiziali, detti 

anche autointerstiziali, non è di solito elevato, ma può diventare relativamente 

importante quando un materiale viene sottoposto a determinate radiazioni. Ad esempio 

l’urto di un solo neutrone veloce può provocare l’allontanamento dalle posizioni 

reticolari regolari di circa 100 – 200 atomi con la conseguente formazione dello 

stesso numero di autointerstiziali e di vacanze. In assenza di radiazioni di questo tipo 

il fenomeno è raro in quanto provoca una distorsione reticolare molto forte e richiede 

68


un gran consumo di energia. Per la formazione di un difetto di questo tipo nel Cu 

occorrono infatti circa 3,5 eV, cioè molto di più di quanto è necessario per formare 

una vacanza ( 0,87 eV ). Una semplice spiegazione di questo fatto può essere data 

considerando che la creazione di un atomo autointerstiziale richiede un duplice lavoro 

: quello per la formazione della vacanza e quello di intrusione vero e proprio. 

Un altro tipo di difetto è chiamato divacanza e si verifica quando una coppia di 

vacanze interagiscono per formare un unico difetto puntiforme. L’energia di 

formazione di questo tipo di difetto è nel rame di 1,4 eV. L’energia di formazione di 

una divacanza è inferiore all’energia di formazione di due vacanze isolate. Vi sono 

infatti meno legami da rompere per formare una seconda vacanza accanto alla prima 

che non per formarla isolatamente. In un metallo vacanze e divacanze possono 

coesistere in equilibrio e il loro rapporto quantitativo è dato da una relazione del tipo 

ndv/nv = 1,2 Z e -q dv /KT dove ndv è il numero delle divacanze, nv quello delle vacanze, 

Z è il numero di coordinazione e qdv è l’energia legata a una divacanza. 

La concentrazione dei versi tipi di difetti reticolari puntiformi nel rame è riporta 

nella tabella. 

Difetto 300 K 1350 K 

vacanze 10 -15 10 -3 

autointerstiziali 10 -65 10 -15 

divacanze 10 -20 10 -5 

69


DISLOCAZIONI 

Premessa : alcuni dati sperimentali 

Il magnesio cristallizza nel sistema esagonale compatto; il suo piano di base è 

quello a più forte densità atomica. Quando un monocristallo di magnesio, dopo essere 

stato orientato in modo che il piano di base risulti inclinato di 45° rispetto alla 

direzione di applicazione del carico, viene sottoposto a una prova a trazione si ottiene 

una curva carico-allungamento del tipo indicato in figura 1. L'esame della Figura 

permette di rilevare che è sufficiente un carico modesto, dell'ordine di 0,7 MPa, 

perché abbia inizio la deformazione plastica. 

Fig.1 

Conoscendo il valore delle forze di coesione fra gli atomi di magnesio in 

un cristallo perfetto è d'altro canto possibile valutare quale carico debba essere 

applicato a questo cristallo affinché possano iniziare fenomeni di deformazione 

plastica. Tale calcolo ha portato, nel caso del magnesio, al valore di 8750 MPa. 

Il rapporto fra il carico teorico che deve essere applicato affinchè abbia inizio la 

deformazione plastica e il carico osservato sperimentalmente vale perciò circa 8750 / 

0,7 = 12.500. Ciò significa che, rispetto a quanto teoricamente prevedibile, un cristallo 

reale di magnesio si deforma plasticamente per carichi che sono 12.500 volte più 

piccoli. 

Un'altra osservazione sperimentale può essere effettuata esaminando, 

opportunamente ingrandita, la superficie del cristallo deformato. Nella fig. 2 

Fig. 2 

70


è schematicamente riprodotta la vista di fianco e di fronte del cristallo. Si osservano 

tracce a forma di ellisse che corrono attorno al campione e, in corrispondenza di 

queste, una serie di gradini che testimoniano come il carico applicato abbia suddiviso 

il cristallo in un certo numero di strati paralleli indeformati. Si può ancora osservare 

che tale suddivisione si è verificata su piani disposti a 45° rispetto alla direzione di 

applicazione del carico, cioè in corrispondenza dei piani di base che hanno la 

massima densità atomica. Questo tipo di deformazione viene chiamato scorrimento, le 

tracce superficiali e i relativi piani cristallografici vengono chiamati linee di 

scorrimento e piani di scorrimento (Fig.3). 

Fig. 3 

Il fatto che i cristalli reali si comportino in modo assai diverso da quanto 

teoricamente prevedibile può essere spiegato ammettendo che essi siano ben lontani 

dalla perfezione e che contengano difetti reticolari. 

L'effettiva presenza di questi difetti può essere visualizzata ricorrendo al 

microscopio elettronico a trasmissione i cui fotogrammi rivelano, anche nel caso di un 

metallo puro, la presenza di linee fortemente contrastate rispetto alla matrice 

circostante. Questa osservazione sta a indicare l'esistenza di difetti nella struttura 

cristallina. Se un cristallo ha subito scorrimento si può inoltre rilevare che queste 

imperfezioni tendono a concentrarsi lungo i piani di scorrimento. Questi difetti 

vengono chiamati dislocazioni e possono essere resi evidenti anche ricorrendo a 

reattivi chimici i quali in genere attaccano preferenzialmente i punti di intersezione fra 

questi difetti e la superficie attaccata. 

Dislocazioni a spigolo. 

Supponiamo che la Fig. 4 rappresenti la sezione di un cristallo cubico le cui 

superfici superiore e inferiore siano sottoposte a una sollecitazione τ e nel quale la 

linea MN indichi la traccia di un possibile piano di scorrimento. Supponiamo 

che, in conseguenza della applicazione della sollecitazione, i piani cristallografici 

assumano la disposizione indicata nella Fig.5, cioè che la parte superiore destra si 

sia spostata di una distanza interatomica verso sinistra. Nella figura compare la 

traccia di un mezzo piano verticale ab sopra il piano di scorrimento e, sulla destra, 

71


la traccia, sotto il piano di scorrimento, di un mezzo piano verticale cd. 

Fig. 4 Fig. 5 

Il reticolo risulta fortemente distorto all'intersezione fra il mezzo piano ab e il piano 

di scorrimento. Lo stesso fenomeno è rappresentato tridimensionalmente nella fig. 

6: il bordo inferiore del piano ab viene chiamato dislocazione a spigolo; questa 

attraversa il cristallo in tutta la sua profondità e delimita, nel piano di scorrimento la 

porzione del piano che è stata deformata (zona tratteggiata) da quella che non ha 

subito deformazione. 

Fig. 6 

Se al cristallo viene applicato un sufficiente carico di taglio una dislocazione 

iniziale può muoversi secondo quanto indicato dalle figg. 7 e 8, lungo il piano di 

scorrimento con il risultato finale di allungare il cristallo di una distanza atomica. 

Fig. 7 

72


Fig. 8 

Lo spostamento della dislocazione richiede solo un piccolo riassestamento degli atomi 

in vicinanza del piano extra e necessiterà pertanto solo di una modesta sollecitazione. 

Tale forza è stata calcolata ed è risultata dello stesso ordine di grandezza di quella 

necessaria a deformare i cristalli reali. Molte migliaia di dislocazioni possono 

contemporaneamente muoversi nello stesso senso lungo il piano di scorrimento 

sommando i propri effetti e producendo infine sulla superficie del cristallo una linea di 

scorrimento visibile. 

Si è finora parlato di dislocazioni a spigolo con un semipiano in eccesso sopra il 

piano di scorrimento; ve ne sono altre che hanno un semipiano in eccesso al di sotto 

del piano di scorrimento; per convenzione le prime si chiamano dislocazioni a spigolo 

positive e le si indica con il simbolo I, mentre le seconde si chiamano dislocazioni a 

spigolo negative e le si indica con il simbolo T. Nei due casi il tratto orizzontale 

rappresenta il piano di scorrimento e quello verticale il piano incompleto. In una 

dislocazione a spigolo positiva la parte del cristallo che si trova sopra il piano di 

scorrimento è in uno stato di compressione mentre quella che si trova al di sotto è in 

uno stato di tensione ; l'opposto si verifica nel caso di dislocazioni a spigolo negative - 

fig. 9 -. 

Fig. 9 

Ciò significa che in una regione del reticolo gli atomi sono più fitti e nell'altra più 

dispersi. La perturbazione è sensibile fino a distanze dell'ordine di venti piani 

reticolari. 

73


Vettore di Burgers di una dislocazione a spigolo. 

Prendiamo in esame la fig. 10 nella quale è rappresentata la sezione di un 

cristallo perfetto e di un cristallo contenente una dislocazione a spigolo. In 

entrambi gli schemi è tracciato un circuito antiorario che, nel caso del cristallo 

perfetto, ha il punto iniziale coincidente con quello finale, mentre, nell’altro caso, 

ciò non si verifica. 

Fig. 10 

Il vettore b che unisce il punto iniziale con quello finale viene chiamato vettore di 

Burgers della dislocazione. Secondo questa definizione in una dislocazione a spigolo 

la dislocazione è perpendicolare al suo vettore di Burgers e si muove, nel suo piano 

di scorrimento, nella direzione del vettore di Burgers. Sotto un carico di taglio 

una dislocazione a spigolo positiva si muove verso sinistra. La lunghezza del vettore 

di Burgers è di solito uguale alla distanza fra due piani paralleli del reticolo (distanza 

unitaria). Il suo modulo può assumere solo valori discreti determinati dalla struttura 

cristallina. Esistono anche dislocazioni con b maggiore della distanza unitaria, ma 

sono instabili e tendono a decomporsi in due o più dislocazioni unitarie. 

Dislocazioni a vite. 

Nella fig.11 è schematizzata una dislocazione a vite. La parte superiore anteriore 

del cristallo è stata spostata di una distanza atomica verso sinistra rispetto alla parte 

inferiore anteriore. L'area ABCD rappresenta la zona del piano di scorrimento che è 

stata spostata e la linea CD è la linea di dislocazione. Immaginando di suddividere il 

cristallo in tanti cubetti ciascuno dei quali rappresenta un atomo si ha la fig. 12. 

Fig. 11 Fig. 12 

74


Se, partendo dall'atomo a, ci si muove nel senso delle frecce, si vede che la prima 

spirale è compiuta quando si giunge all'atomo b e l'ultima è compiuta quando si 

giunge all'atomo c. Si vede così che i piani reticolari avvolgono a spirale - come una 

vite - la linea di dislocazione. Anche in questo caso la linea CD di fig.11 separa la 

parte del piano di scorrimento che ha subito scorrimento da quella che non lo ha 

subito. 

Le dislocazioni a vite si distinguono in destrogire e levogire a seconda che i 

piani reticolari avvolgano a spirale la linea di dislocazione con verso destrogiro o 

levogiro. Per effetto di un egual carico di taglio le dislocazioni destrogire si 

muovono in avanti e quelle levogire all'indietro provocando nel reticolo la stessa 

deformazione (vedi fig. 13). 

Fig. 13 

Si noti che un uguale deformazione era stata provocata, nel paragrafo 

precedente, dal movimento di una dislocazione a spigolo positiva o negativa. 

Vettore di Burgers di una dislocazione a vite. 

Nella fig.14 è mostrato un circuito in un cristallo perfetto e in un cristallo con 

una dislocazione a vite. In questo secondo caso il punto di partenza non coincide 

con quello di arrivo. Il vettore b che unisce i due punti si chiama vettore di 

Burgers della dislocazione. A differenza di quanto avviene per le dislocazioni a 

spigolo, una dislocazione a vite è parallela al suo vettore di Burgers e si muove, nel 

suo piano di scorrimento, in una direzione perpendicolare al vettore di Burgers. In 

ogni caso un piano di scorrimento è quello che contiene sia la dislocazione che il 

suo vettore di Burgers. 

Fig. 14 

75


Dislocazioni complesse. 

Secondo gli schemi precedenti le dislocazioni attraversano tutto il cristallo in 

linea retta. In realtà è possibile che, come si vede dalla fig. 15, il piano extra non 

attraversi tutto il cristallo , ma risulti per così dire bloccato dalla presenza di una 

seconda dislocazione a spigolo. I segmenti a e b formano una linea continua di 

dislocazione che attraversa il cristallo dalla superficie anteriore a quella superiore. 

Fig. 15 

Una situazione analoga si può verificare fra una dislocazione a vite e una a 

spigolo. Nelle due figure 16 e 17 è schematizzato l'incontro fra una dislocazione a 

vite e una a spigolo. 

Fig. 16 Fig. 17 

Nella fig. 17 i circoletti rappresentano atomi situati subito sopra al piano di 

scorrimento e i puntini atomi subito al di sotto del piano di scorrimento. Si può 

rilevare come il reticolo sia perfetto anche all'interno del quarto inferiore destro 

della figura in corrispondenza del quale si vede come gli atomi del piano superiore 

e quelli del piano inferiore siano nuovamente allineati. La distorsione reticolare è 

quindi particolarmente localizzata lungo la linea di dislocazione. 

Una dislocazione non deve infine essere sempre del tutto a vite o del tutto a 

spigolo, ma può avere una orientazione intermedia alle due, il che implica che le 

dislocazioni possono avere un andamento curvilineo come quello mostrato nella 

fig. 18 ; si può notare che anche in questo caso al di sotto e al di sopra della linea di 

dislocazione gli atomi del piano superiore e quelli del piano inferiore si trovano in 

posizioni coincidenti e la distorsione reticolare è ancora confinata lungo la linea di 

dislocazione. La stessa dislocazione curvilinea è rappresentata tridimensionalmente 

nella fig. 19 dove sono messe in evidenza la dislocazione a spigolo sul davanti del 

cristallo e quella a vite posta lateralmente. 

76


Fig. 18 Fig. 19 

Un segmento comunque orientato di una linea di dislocazione non rettilinea può 

sempre essere considerato come composto da due dislocazioni: una a spigolo con 

b perpendicolare alla linea e una a vite con b parallelo alla linea. 

Origine e moltiplicazione delle dislocazioni 

Si definisce come densità di dislocazioni la lunghezza complessiva di tutte le 

linee di dislocazione nell'unità di volume. Le sue dimensioni sono perciò 

cm/cm 3 = cm -2 . 

Il dato sperimentale che cristalli accuratamente preparati dal fuso e 

completamente ricotti contengono una densità di dislocazioni di 10 6 - 10 8 cm -2 e 

che cristalli incruditi possono raggiungere una densità di dislocazioni di 10 12 cm -2 

pone il duplice problema dell'origine e della moltiplicazione delle dislocazioni. Per 

quanto concerne l'origine delle dislocazioni il problema non può ancora ritenersi 

del tutto risolto sebbene vada sempre più prendendo consistenza l'ipotesi che esse 

si formino con l'aiuto di difetti reticolari legati alla presenza di impurezze. Si 

tratterebbe dunque di un fenomeno di nucleazione eterogenea. Un'altra ipotesi è 

che le dislocazioni si formino durante la crescita dei cristalli mediante 

combinazioni di vacanze. 

Al contrario il problema della moltiplicazione delle dislocazioni è stato risolto 

in modo soddisfacente secondo un meccanismo proposto da Frank e Read. Nella 

77


fig.20 è rappresentato un cristallo cubico contenente tre dislocazioni a spigolo, 

contrassegnate con i numeri 1, 2, 3 , e sottoposto a una sollecitazione di taglio τ. 

Fig. 20 

Se la dislocazione 2 è, ad es., a spigolo positivo questa sollecitazione tenderà a 

spostarla, nel piano di scorrimento ABCD, verso sinistra. Le dislocazioni 1 e 3 

non possono invece muoversi per effetto del carico applicato in quanto la 

direzione del loro vettore di Burgers è perpendicolare alla direzione di 

movimento. Ne consegue che i punti estremi della dislocazione 2 , che fanno pure 

rispettivamente parte delle dislocazioni 1 e 3 , risultano bloccati. Se lo sforzo di 

taglio è sufficientemente elevato la dislocazione 2 tende allora a incurvarsi. 

Questo fenomeno si verifica tutte le volte che una dislocazione che si muove nel 

piano di scorrimento sotto l'azione di uno sforzo di taglio incontra ostacoli che ne 

bloccano il movimento. La sollecitazione necessaria per far incurvare sempre di 

più la dislocazione aumenta progressivamente finché essa non assume una forma 

semicircolare. Successivamente il raggio di curvatura aumenta e la dislocazione 

tende a espandersi in modo spontaneo. Nella Fig. 21 sono illustrati i diversi 

stadi. La dislocazione, quando si trova nella posizione 6, interseca se stessa. I tratti 

di dislocazione che vengono a contatto sono dello stesso tipo, ma opposti e quindi 

per reazione si annullano. 

Fig. 21 

La dislocazione di partenza si divide in due segmenti uno dei quali è circolare e si 

allarga verso la superficie del cristallo producendo uno spostamento di una 

distanza atomica, mentre l'altro si contrae tendendo a ripristinare la dislocazione a 

spigolo positivo di partenza, ritrovandosi così in una posizione adatta a ripetere il 

ciclo. In questo modo si possono generare nello stesso piano di scorrimento molte 

linee di dislocazione dello stesso tipo con il risultato complessivo di provocare 

spostamenti sufficientemente grandi da giustificare l'ampiezza delle linee di 

scorrimento osservabili. 

78


Movimento di dislocazioni : scorrimento 

I cristalli si deformano plasticamente in conseguenza del movimento delle 

dislocazioni. Una dislocazione si muove, ovvero scorre, sotto l'azione di un carico 

critico di taglio, sul piano di scorrimento, dove quest'ultimo è definito dalla linea di 

dislocazione e dalla direzione del vettore di Burgers. In altre parole affinchè si 

abbia deformazione plastica occorre che il carico applicato contenga una 

componente di taglio di valore superiore a un certo valore critico. Il carico critico 

di taglio è dunque la forza che deve essere applicata perché le dislocazioni possano 

muoversi provocando una deformazione permanente. 

E' difficile determinare in modo diretto il carico critico di taglio sottoponendo 

i provini a sollecitazioni esclusivamente di taglio a causa delle difficoltà 

sperimentali, mentre è assai facile valutarne la risposta nel corso di prove a 

trazione. E' poi ovviamente necessario derivare un'equazione che metta in 

relazione il carico applicato a trazione con il carico critico di taglio nel piano di 

scorrimento e nella direzione di scorrimento. A questo scopo consideriamo un 

cristallo cilindrico (fig.22) di sezione A, sottoposto, a trazione, a un carico σ nel 

quale il piano inclinato tratteggiato corrisponde a un piano di scorrimento del 

cristallo; m è la perpendicolare al piano di scorrimento e n è la direzione di 

scorrimento nel piano di scorrimento. 

Fig. 22 

L'angolo fra m e l'asse a trazione è dato da θ e quello fra n e l'asse a trazione è 

dato da ϕ. L'area del piano di scorrimento, As, è data da: As = A/cosθ dove θ, 

essendo l'angolo fra le normali ai due piani As e A è anche l'angolo fra i 

due piani. Sul piano di scorrimento è applicato un carico σAs dato dalla forza 

applicata σ divisa per l'area As; è cioè σAs = σ /As = σ /A · cos θ. La 

componente di questo carico parallela al piano di scorrimento, che rappresenta il 

carico critico di taglio, τ , può essere ottenuta moltiplicando σAs per cosϕ ; è 

dunque τ = σAs· cos ϕ = σ /A · cos θ cos ϕ. Se la sezione A è unitaria il termine 

σ/A rappresenta l'usuale carico a trazione. Dalla precedente relazione si vede che, 

79


se il carico assiale applicato è parallelo al piano di scorrimento è θ = 90°, cos θ 

=0 e quindi il carico critico di taglio è uguale a zero. Analogamente quando il 

carico assiale applicato è perpendicolare al piano di scorrimento è ϕ = 90°, cosϕ 

= 0 e , ancora, τ = 0. Si deduce cioè che non è possibile che si abbia scorrimento in 

un dato piano quando esso è parallelo o perpendicolare al carico assiale a trazione 

applicato. Quando invece sia θ sia ϕ sono uguali a 45° rispetto all'asse a trazione, 

cioè quando il piano di scorrimento è inclinato di 45° rispetto all'asse a trazione, 

τ ha il valore massimo e vale 0,5σ; è infatti 

cos θ ·cos ϕ = cos 45°·cos 45° = 0,707·0,707 = 0,5 

Ciò è stato sperimentalmente verificato, ad es., su monocristalli di magnesio con 

purezza del 99,99%. I dati relativi al carico di snervamento a trazione sono 

riportati in Fig. 23 in funzione di cos θ · cos ϕ. 

Fig. 23 

In alcuni metalli ccc il carico critico di taglio può anche essere funzione del 

tipo di carico (a compressione o a trazione) e, più in generale, esso è funzione 

anche della purezza del materiale e della temperatura.(Figg. 24 e 25 ). 

Fig. 24 Fig. 25 

80


Vi è un altro aspetto della deformazione permanente legato alla presenza di 

dislocazioni. Osserviamo al riguardo che cosa succede alle dislocazioni quando 

viene superato il carico critico di taglio. Supponiamo che alle estremità di un 

cristallo (Fig. 26) vengano applicate forze uguali e parallele di grandezza M tali 

da superare il limite di snervamento. Nella Fig. 27 è mostrata la distribuzione delle 

sollecitazioni che varia da un valore massimo a compressione sulla superficie 

superiore a zero all'asse neutro a un valore massimo a trazione sulla superficie 

inferiore. 

Fig. 26 Fig. 27 

Nella Fig.28 è riprodotto lo stesso cristallo dove le linee mn e op rappresentano 

due piani di scorrimento perpendicolari al foglio. Associati alla linea mn sono 

riprodotti gli stessi carichi di prima mentre lungo la op è indicata la componente 

del carico di taglio (parallela al piano di scorrimento). Si vede che il senso del 

carico cambia di segno nell'attraversare l'asse neutro e che il carico è massimo alle 

estremità del piano e nullo all'asse neutro. 

Fig. 28 

La presenza di questi carichi di taglio favorisce lo scorrimento delle dislocazioni e 

la loro moltiplicazione secondo il meccanismo di Frank-Read. Si avranno così linee di 

dislocazione curve le cui componenti a spigolo positivo si muovono verso la 

superficie, mentre quelle a spigolo negativo si muovono verso l'asse neutro 

(Fig.29). 

81


Fig. 29 

Anche le componenti a vite levogire e destrogire si muovono verso la superficie del 

cristallo che si trova al di sopra e al di sotto del piano della figura. Sia le componenti a 

spigolo positivo sia quelle a vite levogire e destrogire giungono sulla superficie e 

abbandonano il cristallo, mentre quelle a spigolo negativo rimangono nel cristallo 

muovendosi verso l'asse neutro; esse saranno in numero tanto maggiore e tanto più 

vicine all'asse neutro quanto più il cristallo sarà stato piegato. Nella Fig.30 la zona 

prossima all'asse neutro è rappresentata libera da dislocazioni supponendo così che il 

carico applicato sia in quella zona tale da provocare solo deformazioni elastiche. Si 

osserva anche dalla figura che ciascun semipiano extra si trova sulla sinistra del 

proprio piano di scorrimento; questi ultimi per adattarsi ai semipiani extra assumono 

una curvatura convessa, scendendo dall'alto verso il basso, generando così un cristallo 

plasticamente deformato. 

Fig. 30 

CLIMB (movimento di una dislocazione a spigolo dal piano di scorrimento a un 

piano parallelo). 

Si è visto in precedenza che le dislocazioni possono muoversi in piani di 

scorrimento non curvi provocando spostamenti relativi di piani adiacenti oppure 

possono accumularsi da un lato provocando la curvatura dei piani di scorrimento. Si è 

anche visto che una dislocazione a spigolo può soltanto scorrere nel suo piano di 

scorrimento definito dalla dislocazione e dal vettore di Burgers a essa perpendicolare. 

In certi casi una dislocazione a spigolo, o la componente a spigolo di una dislocazione 

complessa, può muoversi in una direzione normale al piano di scorrimento; 

questo movimento viene chiamato climb ( arrampicamento ). Esso può essere positivo 

e corrisponde allora alla scomparsa di uno o più filari di atomi dalla estremità inferiore 

del piano extra. Perché ciò sia possibile è necessaria una interazione con le vacanze 

presenti in prossimità del piano extra e gli ultimi filari di questo stesso piano. Uno 

82


schema di climb positivo è mostrato nella Fig. 31 e il processo avviene come se la 

vacanza diffondesse verso il piano extra. 

Fig. 31 Fig. 32 

Il climb negativo corrisponde all'aggiunta di uno o più filari alla estremità inferiore 

del piano extra e si realizza attraverso un processo di formazione di vacanze in 

prossimità del piano extra - Fig. 32 -. Il climb positivo comporta rimozione di materia 

dall'interno del cristallo e ne provoca quindi la contrazione in una direzione parallela 

al piano di scorrimento e sarà perciò favorito da un carico a compressione 

perpendicolare al piano extra. Inversamente uno sforzo a trazione applicato 

perpendicolarmente al piano extra favorisce il climb negativo. Mentre lo scorrimento è 

una conseguenza di una sollecitazione di taglio il climb consegue a un carico normale 

( a compressione o a trazione ). Il processo di climb richiede un movimento di vacanze 

e questo è favorito dalle alte temperature: esso sarà quindi particolarmente attivo in 

quei fenomeni, come la ricristallizzazione o lo scorrimento viscoso, che avvengono 

a temperature relativamente alte. 

Il processo di climb avviene in tappe successive in quanto l'interazione fra 

vacanze e semipiano extra non avviene in ogni punto nello stesso istante. Ne risulta 

che una dislocazione può suddividersi in piani paralleli vicini (Fig.33). La parte di 

dislocazione che congiunge due parti di dislocazione situate in piani vicini viene 

chiamata jog (tacca). 

Fig. 33 

83


Piani, direzioni e sistemi di scorrimento. 

Si osserva sperimentalmente che non solo lo scorrimento avviene in modo 

preferenziale in piani a elevata densità atomica, ma che anche la direzione di 

scorrimento è quasi sempre una direzione compatta, cioè una direzione lungo la quale 

gli atomi sono strettamente a contatto fra di loro. Così nello schema della Fig. 34, 

relativo a un reticolo cubico semplice, la linea AB è una direzione compatta, mentre 

non lo è quella CD. 

Fig. 34 

La distanza fra due atomi lungo la linea AB è data dalla costante reticolare a e quella 

lungo la linea CD è data da c dove c = a √2 = a 1,414. a e c sono anche i vettori di 

Burgers di una dislocazione che si muove lungo le due direzioni. Il movimento di una 

dislocazione provoca al suo passaggio una distorsione reticolare cui è connessa una 

certa energia di deformazione che è funzione del quadrato del vettore di Burgers. 

L'energia di deformazione della dislocazione con vettore di Burgers c è doppia di 

quella con vettore di Burgers a (cioè c 2 = 1,414 2 a 2 , cioè c 2 = 2a 2 ). La minor energia 

di deformazione connessa con la dislocazione con vettore di Burgers a rende questo 

tipo di dislocazione molto più probabile. 

Un sistema di scorrimento è definito dalla combinazione fra un piano di 

scorrimento e una delle sue direzioni compatte. Un metallo darà origine a tanti sistemi 

di scorrimento equivalenti di un dato tipo quante sono le possibili combinazioni fra 

piani compatti e loro direzioni compatte. In questo caso, sotto un determinato carico, 

lo scorrimento inizierà in quel sistema nel quale viene superata la tensione critica di 

taglio. Ove non vi fossero differenziazioni fra i diversi sistemi lo scorrimento avverrà 

contemporaneamente in tutti i sistemi di scorrimento ugualmente sollecitati. 

Sistemi di scorrimento nei reticoli cubici a facce centrate. Nel reticolo cfc vi sono 

quattro tipi di piani compatti, chiamati piani ottaedrici, con indici (111) (11⎯1) (⎯111) 

e (1⎯11), ciascuno dei quali contiene tre direzioni compatte < 110 > (Fig. 35) il che 

comporta l'esistenza di 3.4 = 12 sistemi di scorrimento equivalenti. 

84


Fig. 35 

Tale elevato numero di sistemi di scorrimento unito alla loro omogenea distribuzione 

spaziale rende praticamente impossibile la deformazione di un cristallo cfc senza che 

si abbia almeno un piano {111} in posizione favorevole allo scorrimento. I cristalli 

cfc deformati plasticamente generalmente scorrono su diversi piani ottaedrici che si 

intersecano; questa intersezione fa si che per provocare un'ulteriore deformazione si 

deve fare aumentare rapidamente il carico applicato (Fig.36). Il materiale si rafforza 

cioè per incrudimento. 

Fig. 36 

In alcuni casi, e precisamente quando un piano di scorrimento è sollecitato in modo 

nettamente più energico rispetto agli altri piani equivalenti, lo scorrimento 

avviene, almeno inizialmente, solo in questo piano e la curva carichi - allungamenti 

assume l'aspetto riprodotto in Fig. 37. 

Fig. 37 

Il tratto iniziale a bassa pendenza è chiamato tratto a facile slittamento e indica che 

il rafforzamento per incrudimento è minimo quando lo scorrimento avviene in un 

unico piano cristallografico. Quando l'allungamento ha raggiunto valori dell'ordine 

del 4 - 5 % inizia lo scorrimento multiplo in piani di scorrimento equivalenti che 

85


si intersecano con conseguente rapido aumento del rafforzamento dovuto all'aumento 

della densità delle dislocazioni. Il tratto finale della curva ha nuovamente una 

pendenza meno pronunciata cui corrisponde una velocità di incremento della densità 

di dislocazioni all'aumentare dell'allungamento più piccola rispetto a quanto 

osservato in precedenza. 

I metalli puri cfc hanno bassi carichi critici di taglio in grado di promuovere 

scorrimento nei piani ottaedrici, il che significa che la loro deformazione plastica 

inizia per carichi modesti. 

metallo cfc carico critico (MPa) metallo cfc carico critico (MPa) 

Cu 0,65 Au 0,93 

Ag 0,38 Al 1,04 

Sistemi di scorrimento nelle strutture esagonali. I piani di base (001 ) delle 

strutture esagonali compatte hanno lo stesso arrangiamento atomico dei piani 

ottaedrici del reticolo cfc; le direzioni compatte di scorrimento sono del tipo 

. Lo scorrimento dovrebbe dunque avvenire con le stesse modalità viste in 

precedenza per i cristalli cfc, ma ciò si verifica in realtà soltanto per alcuni di essi , 

come Mg , Zn e Cd, per i quali la deformazione plastica per scorrimento nel piano di 

base inizia per carichi dello stesso ordine di grandezza di quello riscontrato nelle 

strutture cfc. 

metallo exc carico critico (MPa) 

Mg 0,70 

Zn 0,18 

Cd 0,57 

In altri metalli esagonali , come Ti e Be , si è osservato che il carico critico 

di taglio nel piano di base è molto più alto (Ti = 110 MPa e Be = 40 MPa) e, nel 

caso del Ti, si è anche rilevato che il carico critico relativo alla deformazione 

per scorrimento nei piani laterali è di soli 50 MPa e che quindi si tratta dei piani 

preferenziali di scorrimento. Anche per lo Zr sembra che il piano preferenziale di 

scorrimento sia lo stesso, anche se il carico critico è più basso : 6,4 MPa. Queste 

diversità fra metalli exc sembrano legate al valore del rapporto fra le costanti 

reticolari c e a che rappresentano rispettivamente la distanza fra due piani di base e 

la distanza fra gli atomi nel piano di base. Se gli atomi fossero esattamente sferici e a 

contatto il rapporto c/a varrebbe 1,663 . Esaminando i dati della tabella si vede che il 

solo Mg si avvicina al 

metallo c/a metallo c/a metallo c/a 

Cd 1,886 Zn 1,856 Mg 1,624 

Zr 1,590 Ti 1,588 Be 1,586 

al valore teorico, mentre Cd e Zn presentano una maggiore separazione fra i piani di 

base e in modo opposto si comportano Zr , Ti , e Be . Si riscontra cioè che i metalli 

exc che hanno le più piccole distanze fra i piani di base sono quelli che hanno per il 

piano di base i più alti carichi critici di taglio. Nel caso di monocristalli di Zn , Cd e 

Mg, opportunamente orientati rispetto all'asse di carico, si possono sviluppare per 

scorrimento basale allungamenti dell'ordine del 400 - 500 % in quanto in questo caso 

86


all'aumentare dell'allungamento non corrisponde un rafforzamento per incrudimento. 

Ciò si verifica in quanto, essendovi un solo piano compatto di scorrimento, non vi può 

essere intersezione fra diversi piani di scorrimento che scorrano simultaneamente. 

Questa grandissima plasticità dei monocristalli non la si ritrova quando si tratti di 

materiali policristallini che presentano una deformazione plastica molto più complessa 

in quanto ciascun cristallo deformandosi deve anche adeguarsi alle variazioni di forma 

dei cristalli che lo circondano. 

Sistemi di scorrimento in strutture cubiche a corpo centrato. In questi cristalli manca 

un piano realmente compatto ; quello più compatto è il piano (110 ) mentre sono 

compatte le direzioni . Nella Fig. 38 è schematizzato il piano (110) e indicate 

le direzioni compatte [⎯111] e [1⎯11]. 

La mancanza di un vero piano compatto provoca un elevato valore del carico 

critico di taglio: nel Fe , a temperatura ambiente, è di circa 28 MPa. Il piano di 

scorrimento non è in genere ben definito per cui le linee di scorrimento risultano 

ondulate e irregolari rendendo così difficile la loro identificazione. Sembra che 

possa funzionare come piano di scorrimento ogni piano che 

contiene una direzione compatta . 

Fig. 38 

Energia di una dislocazione. 

Nel campo del comportamento elastico si chiama modulo elastico o modulo di 

Young , E , il rapporto fra carico normale applicato σ e la deformazione ε 

prodotta; è cioè E = σ / ε . Si chiama invece modulo di taglio , G , il rapporto fra il 

carico di taglio o lo sforzo di taglio τ e la deformazione γ prodotta ; è cioè G = τ / γ 

. 

Per creare in un cristallo una dislocazione è necessario compiere un lavoro che 

viene accumulato nel cristallo sotto forma di energia potenziale. Nel caso di una 

dislocazione a vite questa energia vale Ev = G b 2 l dove G è il modulo di taglio, b 

è il vettore di Burgers e l e la lunghezza della dislocazione. Nel caso, invece, di una 

dislocazione a spigolo si ha Es = G b 2 l / 1 - ν dove ν è il rapporto tra la 

deformazione nella direzione trasversale e quella nella direzione longitudinale; questo 

rapporto si chiama rapporto di Poisson e , per i materiali metallici, ha un valore 

dell'ordine di 1/3 = 0,33. 

Dalle due precedenti relazioni si può ricavare che in ogni caso l'energia di una 

dislocazione è proporzionale alla sua lunghezza e al modulo di taglio. L'energia per 

87


unità di lunghezza di una dislocazione è inoltre proporzionale a b 2 . Da quest'ultima 

constatazione si può dedurre che tendono a formarsi dislocazioni con vettore di 

Burgers quanto più piccolo possibile e che quando una dislocazione ha vettore di 

Burgers di modulo superiore a una distanza interatomica tende a dissociarsi in più 

dislocazioni, ciascuna con vettore di Burgers unitario. Infatti l'energia totale relativa a 

due dislocazioni unitarie distinte è proporzionale a b 2 + b 2 = 2b 2 , mentre per una 

dislocazione con vettore di Burgers 2b è proporzionale a (2b) 2 = 4b 2 . 

Dal confronto fra le due relazioni si vede anche che l'energia di una dislocazione a 

spigolo è di circa il 50 % maggiore di quella di una dislocazione a vite, a parità di 

lunghezza e di valore del vettore di Burgers. 

Nel caso di una dislocazione mista l'energia può essere calcolata sommando le 

energie delle componenti a spigolo e a vite. 

Interazioni fra dislocazioni. 

In un cristallo le dislocazioni tendono a interagire in modo tale da ridurre l'energia 

totale del reticolo. 

Una dislocazione a spigolo positiva e una a spigolo negativa che giacciono sullo 

stesso piano di scorrimento si attraggono eliminando così le rispettive deformazioni e 

rendendo perciò localmente il cristallo perfetto (Fig.39). 

Fig. 39 

Lo stesso fenomeno si verifica quando l'incontro avviene tra una dislocazione a vite 

levogira e una destrogira. Se invece due dislocazioni hanno lo stesso segno e lo stesso 

vettore di Burgers tendono a respingersi, se infatti si avvicinassero fino a combaciare 

per dare una dislocazione di vettore 2b coinvolgerebbero un'energia proporzionale a 

(2b ) 2 = 4b 2 mentre, rimanendo separate, l'energia sarebbe proporzionale a 2b 2 . 

Attorno a una dislocazione a vite il campo di tensioni ha una simmetria cilindrica. 

Fra due dislocazioni a vite parallele con lo stesso vettore di Burgers b e distanti fra 

loro d si esercita una forza di attrazione o di repulsione, a seconda che le dislocazioni 

siano di segno opposto o uguale. Questa forza per ogni unità di lunghezza è 

direttamente proporzionale al modulo di taglio, al quadrato del vettore di Burgers e 

inversamente proporzionale alla distanza d . 

Nel caso di due dislocazioni a spigolo parallele e con lo stesso vettore di Burgers 

la forza di attrazione o di repulsione è ancora inversamente proporzionale alla loro 

distanza solo se le due dislocazioni sono nello stesso piano di scorrimento. Se sono 

88


invece contenute in piani di scorrimento diversi tale forza dipende anche dall'angolo 

formato dal vettore di Burgers e dalla congiungente le due dislocazioni. 

Nel caso che due dislocazioni non siano parallele e, a causa di un loro spostamento, 

giungano a intersecarsi l'interazione porta alla formazione di un jog in una o in 

entrambe le dislocazioni. Le dislocazioni contenenti un jog sono meno mobili delle 

altre e per il loro spostamento richiedono che si compia un lavoro maggiore rispetto al 

caso di dislocazioni rettilinee. Queste interazioni fra dislocazioni rendono dunque 

necessario uno sforzo progressivamente crescente per continuare a mantenerle in 

movimento. Questo fattore è molto importante, contribuendo notevolmente ai 

fenomeni di incrudimento. 

Dislocazioni e bordi di grano. 

Un campione policristallino accuratamente levigato si presenta perfettamente 

uniforme all'esame microscopico. Se viene invece esaminato nelle stesse condizioni 

dopo un opportuno attacco chimico mostrerà di essere costituito da tanti piccoli 

cristalli, mediamente di grandezza dell'ordine di qualche centesimo di millimetro. 

Ciascun cristallo è separato dai suoi vicini da linee scure : i bordi di grano. In 

conseguenza dell'attacco chimico essi sembrano più spessi di quanto in realtà non 

siano e ciò si verifica in quanto il reattivo di attacco corrode più rapidamente quelle 

zone che hanno un più elevato contenuto energetico conseguente a un assetto atomico 

meno regolare. 

Si può, almeno in alcuni casi, verificare che i bordi di grano sono formati da un 

insieme di dislocazioni. Nella Fig. 40 il bordo di grano è costituito dalla linea che 

congiunge i punti A e B lungo la quale si susseguono dislocazioni a spigolo 

positive. Le dislocazioni saranno tanto più fitte, lungo questa linea, quanto 

maggiore è l'inclinazione della famiglie di piani che formano i due cristalli. 

Fig. 40 

Questa spiegazione è particolarmente valida per i bordi di grano a piccolo angolo, cioè 

per quei bordi che separano due cristalli ruotati l'uno rispetto all'altro di un piccolo 

angolo; nel caso invece di bordi a grandi angoli la disposizione delle dislocazioni è 

molto più complessa e di più difficile rappresentazione in quanto le dislocazioni 

devono avvicinarsi molto perdendo così la loro identità. In questi casi è forse più 

89


semplice supporre che esista fra le due zone centrali perfette dei due grani una zona di 

transizione nella quale la disposizione degli atomi è relativamente ordinata con 

una variazione continua di orientazione (Fig. 41). 

Fig. 41 

Un altro aspetto delle interazioni tra dislocazioni e bordi di grano concerne il 

meccanismo di rafforzamento per affinamento del grano. I bordi di grano 

costituiscono in molti casi l'unico ostacolo al moto delle dislocazioni all'inizio della 

deformazione plastica. Se l'obiettivo è quello di disporre di un materiale molto 

resistente è opportuno che il diametro medio dei grani, d, sia il più piccolo possibile. 

Nella Fig.42 è mostrata la dipendenza del carico di snervamento σs da d per acciai 

dolci. Si rileva la validità della relazione di Petch σ = σo + kd -1/2 dove σo è la 

somma della resistenza intrinseca del reticolo e dei contributi al rafforzamento da 

parte degli atomi in soluzione solida, delle dislocazioni, dei precipitati; il termine kd -1/2 

rappresenta invece il contributo al rafforzamento legato al diametro medio dei grani. 

Fig. 42 

Dislocazioni e poligonizzazione . 

La poligonizzazione è un fenomeno che si verifica durante la ricottura di 

addolcimento di taluni materiali, un processo, quest'ultimo, che segue una 

deformazione a freddo. Nella lavorazione a freddo una parte dell'energia consumata 

rimane accumulata nel metallo come energia associata alla comparsa di dislocazioni 

create dalla deformazione. Un materiale fortemente lavorato a freddo ha una densità di 

dislocazioni dell'ordine di 10 12 cm di linee di dislocazione per cm 3 , mentre lo stesso 

materiale completamente ricotto ne ha circa 10 6 -10 8 . Quando un materiale lavorato 

a freddo ritorna nel suo stato originale cede l'energia accumulata: è quanto succede 

durante la ricottura. Si tratta di un fenomeno complesso che comprende gli stadi di 

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recovery, di ricristallizzazione e di crescita dei grani. Durante la fase di recovery viene 

ceduta una parte non rilevante dell'energia accumulata e si osserva un ripristino delle 

proprietà fisiche e meccaniche del materiale che erano state fortemente influenzate 

dalla lavorazione a freddo. Ciò avviene senza che si verifichino sostanziali mutamenti 

nella microstruttura. 

Il recovery è, a sua volta, un processo complesso che coinvolge diversi 

meccanismi. Si può ritenere che in alcuni casi esso comporti l'annullamento 

dell'eccesso di dislocazioni mediante l'incontro di segmenti di dislocazioni di segno 

opposto (a spigolo positivo e negativo oppure a vite levogira e destrogira) e sarebbe il 

meccanismo interessato nei cristalli che hanno subito scorrimento. 

Nel caso invece di cristalli curvati plasticamente si verifica il processo di 

poligonizzazione. Con l'aiuto dell'analisi mediante raggi X si è potuto provare che i 

cristalli curvati si frazionano, durante la poligonizzazione, in un certo numero di 

cristalli non deformati. Un cristallo deformato plasticamente con un eccesso di 

dislocazioni a spigolo positive lungo i piani di scorrimento è rappresentato 

schematicamente nella Fig. 43. Le zone immediatamente al di sopra e al di sotto dei 

piani di scorrimento sono rispettiva mente zone ad alta energia di deformazione per le 

tensioni a compressione e a trazione che vi agiscono. Durante la poligonizzazione le 

stesse dislocazioni si dispongono perpendicolarmente ai piani di scorrimento (Fig.44) 

realizzando in questo modo un parziale annullamento dei campi di tensione a 

compressione e a trazione , in quanto il campo di tensione a trazione sottostante a un 

piano di scorrimento è parzialmente sovrapposto al campo di tensione a compressione 

della dislocazione sottostante. 

Fig. 43 Fig. 44 

Una distribuzione di dislocazioni di questo tipo suddivide di fatto il cristallo di 

partenza in un certo numero di cristalli più piccoli divisi tra di loro da bordi di grano a 

piccolo angolo. Questi cristalli più piccoli vengono chiamati subgrani e i bordi a basso 

angolo che li separano vengono chiamati subbordi. 

Affinché avvenga la poligonizzazione occorre che le dislocazioni possano 

muoversi per scorrimento lungo il loro piano di scorrimento e in una direzione 

perpendicolare al piano di scorrimento (climb). Esse sono spinte a muoversi 

dall'energia accumulata durante la deformazione a freddo ovvero dalla forza prodotta 

dal campo di tensioni dovuto alle dislocazioni che va dunque consumandosi durante la 

poligonizzazione. Poiché lo spostamento di dislocazioni normalmente al loro piano di 

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scorrimento dipende dal movimento di vacanze e quest'ultimo è favorito da un 

aumento di temperatura si ha che anche la velocità di poligonizzazione aumenta con la 

temperatura. Un aumento di temperatura facilita anche il movimento di scorrimento 

delle dislocazioni come può essere valutato dalla diminuzione del carico critico di 

taglio all'aumentare della temperatura (cfr Fig. 25 ). 

A proposito dei fenomeni di recovery si può ricordare che il movimento di 

dislocazioni generate da deformazioni plastiche può iniziare durante la stessa 

deformazione. Il processo si chiama allora di recovery dinamico e provoca una certa 

tendenza da parte delle dislocazioni ad assumere una distribuzione cellulare anche a 

basse temperature. A temperature elevate gli effetti del recovery dinamico diventano 

più marcati in quanto in queste condizioni aumenta la mobilità delle dislocazioni : la 

struttura cellulare a subgrani si forma per deformazioni plastiche anche modeste. I 

suoi grani hanno , rispetto ai materiali poligonizzati, dimensioni più grandi mentre i 

subbordi diventano più sottili e più netti. Il recovery dinamico è un fattore importante 

nella deformazione dei metalli mediante lavorazioni a caldo. Tale importanza è anche 

legata al fatto che il passaggio delle dislocazioni dai loro piani di scorrimento ai 

subbordi abbassa l'energia media di deformazione dovuta alle dislocazioni rendendo 

più difficile la nucleazione di nuove dislocazioni che sono necessarie per l'ulteriore 

deformazione del materiale. Il recovery dinamico agisce così nel senso di abbassare il 

grado di incrudimento provocato dalla lavorazione. 

Dislocazioni e atomi estranei. 

Inerazioni fra atomi estranei sostituzionali e dislocazioni a spigolo. Si è già visto che 

attorno a una dislocazione a spigolo, per esempio positivo, il reticolo si trova 

sollecitato a compressione al di sopra del piano di scorrimento e a trazione al di sotto 

di esso. D'altro canto la presenza di atomi di soluto, di dimensioni diverse da quelle 

del solvente, provoca una deformazione del reticolo cristallino nel senso che un atomo 

di soluto più grande provoca un allargamento del reticolo circostante, mentre uno più 

piccolo lo fa contrarre. Se sono contemporaneamente presenti dislocazioni e atomi 

estranei sostituzionali questa deformazione sarà mitigata, nel caso che l'atomo del 

solvente sia più grande di quello del soluto, quando l'atomo di soluto sostituisce un 

atomo di solvente che si trova al di sopra del piano di scorrimento dove il cristallo è 

sollecitato a compressione. 

Inversamente, se l'atomo di soluto è più grande di quello del solvente, la 

deformazione sarà ridotta quando l'atomo di soluto sostituisce un atomo di solvente 

che si trova al di sotto del piano di scorrimento cioè nella regione sottoposta a trazione 

. Il campo di tensioni che esiste attorno a una dislocazione a spigolo guida pertanto la 

collocazione degli atomi estranei sostituzionali in funzione della dimensione relativa 

degli atomi del solvente e di quelli del soluto. 

La velocità con cui gli atomi di soluto migrano verso le dislocazioni è controllata 

dalla velocità con cui possono diffondere attraverso il reticolo cristallino che, a sua 

volta, è funzione della temperatura. La concentrazione di atomi di soluto attorno alle 

dislocazioni sarà dunque favorita da temperature relativamente elevate. Nel caso che 

fra gli atomi di soluto vi sia una forte attrazione reciproca vi potrà essere, in 

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prossimità delle dislocazioni, la precipitazione di una seconda fase cristallina. In caso 

contrario attorno alle dislocazioni rimarrà un eccesso di atomi di soluto che è 

conosciuto come atmosfera di Cottrell. La consistenza di un'atmosfera di Cottrell è, a 

sua volta, funzione della temperatura nel senso che temperature molto elevate tendono 

a incrementare l'entropia del cristallo abbassando la concentrazione del soluto attorno 

alle dislocazioni a un punto tale che non esistono più attorno a queste ultime atmosfere 

di atomi di soluto. 

Interazioni fra atomi di soluto interstiziali e dislocazioni a spigolo. L'introduzione di 

un atomo di soluto in posizione interstiziale provoca l'espansione del reticolo del 

solvente. Se sono presenti dislocazioni a spigolo, ad es. positivo, l'atomo interstiziale 

andrà a collocarsi al di sotto del piano di scorrimento ivi attratto dalla tensione a 

trazione esistente. In questo modo risulta ridotta la deformazione provocata 

dall'intrusione con conseguente diminuzione dell'energia di deformazione a essa 

associata. Attorno a una dislocazione a spigolo si forma una atmosfera di atomi di 

soluto interstiziale al di sotto dello spigolo. 

Quando una dislocazione si muove tende a trascinare con sé la propria atmosfera 

in conseguenza della non trascurabile interazione fra gli atomi di soluto dell’atmosfera 

e la dislocazione. Il movimento della dislocazione è reso così più difficile, ciò che si 

traduce in un rafforzamento del materiale. Questo rafforzamento aumenta con la 

concentrazione dell’elemento disciolto e raggiunge il suo massimo alla saturazione. 

Un esempio caratteristico è dato dalle soluzioni solide di Mg in Al ed è mostrato 

In Fig. 45. Si vede che nelle leghe la resistenza alla formazione plastica aumenta 

all’aumentare del tenore di Mg. Valutando inoltre l’influenza di differenti soluti 

sciolti in ugual percentuale atomica nello stesso solvente si è visto che la resistenza 

alla deformazione plastica aumenta all’aumentare del diametro atomico del soluto. 

Fig. 45 

Un analogo ostacolo al movimento delle dislocazioni si verifica nel caso in cui 

l’attrazione fra gli atomi del soluto nell’atmosfera di Cottrell sia tale da generare una 

seconda fase. Le particelle di questa fase sono di ostacolo al movimento delle 

dislocazioni nel solvente. Un possibile meccanismo di movimento di dislocazioni 

attraverso particelle di precipitato è stato proposto da Orowan ed è mostrato in Fig. 46. 

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Fig. 46 

In questo caso la dislocazione si piega curvandosi fortemente attorno alla particella 

di precipitato e poi si ricompone al di là della particella per continuare il suo cammino 

dopo aver lasciato attorno ad essa una curva di dislocazione che aumenta la difficoltà 

di spostamento della dislocazione successiva. Anche in questo caso la difficoltà di 

movimento significa rafforzamento del materiale. Esso dipende più che dalla massa 

totale della seconda fase dal numero di particelle in cui è suddivisa. 

Dislocazioni e snervamento. 

Molti metalli e leghe, come ad esempio gli acciai a basso tenore di carbonio, 

presentano, nelle curve carichi-allungamenti, un tratto singolare al termine dello stadio 

di deformazione elastica. L’andamento di una curva di questo tipo è mostrato nella 

Fig. 47. Dal suo esame si può rilevare come, al crescere della deformazione 

dapprima il carico cresca con continuità, poi decresca bruscamente, poi fluttui 

attorno a un valore costante e infine cresca nuovamente. Si individuano sulla 

figura il limite di snervamento superiore, quello inferiore e l’allungamento che si ha 

per quest’ultimo carico definito come allungamento da snervamento. 

94


Fig. 47 

Durante la sollecitazione l’insorgere dello snervamento non coinvolge tutto il 

provino, ma compare in certe zone dette bande di deformazione o bande di Lüders la 

cui formazione ha inizio nelle zone più sollecitate dei provini ( ad es. i raccordi di 

provini piatti per prove di trazione) allorché si raggiunge il limite di snervamento 

superiore (Fig. 48) . 

Fig. 48 

Subito dopo la formazione delle bande iniziali il carico scende al valore dello 

snervamento inferiore. I bordi mobili delle bande si propagano poi lungo il provino 

provocando l’allungamento da snervamento; il limite inferiore di snervamento può 

essere inteso come il carico necessario alla propagazione delle bande di Lüders. 

Durante l’allungamento da snervamento l’andamento della curva carichi-allungamenti 

è irregolare per la presenza di numerose oscillazioni ciascuna delle quali corrisponde 

alla formazione di una nuova banda di Lüders. Quando l’intero provino risulta coperto 

da bande di Lüders termina l’allungamento da snervamento e la curva riprende a 

salire. 

Sperimentalmente si è anche osservato che lo snervamento può essere legato 

alla presenza di impurezze formate da atomi interstiziali o sostituzionali. Così la 

rimozione totale di C e N da un acciaio fa sparire il fenomeno dello snervamento e la 

curva carichi-allungamenti assume l’aspetto della Fig. 49. Cottrell ha suggerito che il 

fenomeno dello snervamento che compare in certi metalli sia legato all’interazione fra 

atomi di soluto e dislocazioni. 

Fig. 49 

Si è già osservato che attorno alle dislocazioni si formano facilmente atmosfere di 

atomi di soluto e che queste esercitano un effetto frenante sul movimento delle 

dislocazioni. Per far muovere una dislocazione occorre, oltre al carico richiesto per il 

suo spostamento, un carico addizionale per liberare la dislocazione dalla sua 

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atmosfera. Il carico complessivo corrisponde al limite superiore di snervamento 

mentre il limite inferiore di snervamento rappresenta il carico necessario a far 

muovere le dislocazioni che sono state liberate dalle loro atmosfere. 

E’ stato ricordato che nel ferro e negli acciai il fenomeno dello snervamento è 

dovuto alla presenza di C e N in soluzione solida interstiziale. Si può verificare che 

basta pochissimo C o N per disporre di soluto interstiziale in misura sufficiente a 

formare atmosfere attorno alle dislocazioni. Sebbene il numero di atomi di C in una 

atmosfera non sia noto con sicurezza si può supporre che sia dell’ordine di un atomo 

di C per ogni distanza atomica lungo la dislocazione. Secondo questa supposizione 

lungo una dislocazione di 1 cm vi sono 4.10 7 atomi di C in quanto un atomo di 

ferro nella struttura ccc ha un diametro di 2,5 A e 1 cm corrisponde a 10 8 A (è 

infatti 10 8 / 2,5 = 4.10 7 ). Nel metallo addolcito la densità delle dislocazioni è circa di 

10 8 cm -2 e quindi il numero totale di atomi di C in un centimetro cubo è 4.10 7 .10 8 = 

4.10 15 . Si calcoli ora il numero degli atomi di ferro nello stesso centimetro cubo. La 

lunghezza della cella elementare del Fe ccc è di 2,86 A ; il numero di celle in un 

cm 3 è (10 8 / 2,86) 3 = 4,3.10 22 . Poiché ciascuna di esse contiene due atomi di Fe , in 

un cm 3 vi saranno 2.4,3.10 22 = 8,6.10 22 atomi di Fe (= 10 23 ). La concentrazione di 

atomi di C in grado di assicurare una atmosfera di 1 atomo di C per ogni distanza 

atomica lungo una dislocazione vale allora nC / nC + nFe = nC / nFe = 4.10 15 / 10 23 = 

4.10 -8 . Si tratta cioè di un atomo di C ogni quattrocento milioni di atomi di Fe. Nel 

caso di un metallo fortemente deformato a freddo la densità delle dislocazioni vale 

circa 10 12 cm -2 e quindi il numero totale di atomi di C necessario è ora più elevato e 

precisamente è pari a 4.10 7 .10 12 = 4.10 19 per cui il rapporto nC / nFe diventa 4.10 19 / 

10 23 = 10 -4 , ovvero la concentrazione percentuale atomica del C è dello 0,04 %. 

Dislocazioni e invecchiamento dopo deformazione (strain aging). 

L’invecchiamento dopo deformazione consiste nella variazione con il tempo di 

alcune proprietà meccaniche dei materiali sottoposti a deformazione plastica a freddo. 

Questo invecchiamento, che si manifesta generalmente nei materiali metallici che 

hanno un limite superiore di snervamento, può avvenire a temperatura ambiente 

(invecchiamento naturale) o a temperature relativamente poco elevate 

(invecchiamento artificiale). 

Il fenomeno può essere compreso seguendo l’andamento della curva carichiallungamenti 

ad es. di un acciaio a bassa percentuale di C . Se l’applicazione del 

carico viene interrotta al punto A Fig. 50 il provino annulla una parte 

dell’allungamento seguendo una linea parallela al primo tratto elastico della curva. Si 

nota che in questa prima fase era nettamente presente il limite superiore di 

snervamento. 

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Fig.50 Fig.51 Fig.52 

Se ora l’applicazione del carico viene immediatamente ripristinata si osserva che il 

campione si deforma elasticamente fino al punto A (Fig. 51) e poi si deforma 

plasticamente senza presentare il limite superiore di snervamento, cioè il nuovo tratto 

della curva si accorda perfettamente in A con il tratto precedente. Se invece la 

riapplicazione del carico viene ritardata di alcuni mesi mantenendo il provino a 

temperatura ambiente oppure viene ritardata di alcune ore mantenendo il provino a 

150-200°C si osserva che (Fig. 52), riapplicando il carico, ricompare il limite 

superiore di snervamento e aumenta il carico al quale il campione subisce 

snervamento. L’invecchiamento dopo deformazione ha reso il materiale più resistente. 

Questo fenomeno trova spiegazione nella presenza di atmosfere di atomi di soluto 

attorno alle dislocazioni. Durante la prima applicazione del carico si sono attivate 

sorgenti di dislocazioni e si è favorito il loro disancoramento dalle atmosfere di atomi 

di soluto. Se, dopo l’allontanamento del carico, questo viene subito riapplicato, le 

atmosfere di Cottrell non hanno avuto il tempo di ricostituirsi perché ciò può avvenire 

solamente a seguito di processi di diffusione che richiedono tempo. La ricomparsa del 

limite superiore di snervamento è dunque una funzione del tempo. Poiché i processi di 

diffusione dipendono dalla temperatura un aumento della temperatura accelera la 

ricomparsa del limite superiore di snervamento in quanto permette una più rapida 

diffusione degli atomi interstiziali verso le dislocazioni con riformazione (e in numero 

maggiore) delle atmosfere di Cottrell in cui gli atomi interstiziali bloccano le 

dislocazioni facendo ricomparire il limite di snervamento superiore (più alto del 

precedente in conseguenza dell’aumento del numero delle dislocazioni). 

La ricomparsa del limite di snervamento non viene in genere osservata nel ferro e 

negli acciai invecchiati a temperature relativamente elevate (oltre 400°C) e il 

fenomeno può essere spiegato ricordando che all’aumentare della temperatura 

aumenta l’intensità delle vibrazioni termiche e aumenta la facilità con la quale si 

disperdono le atmosfere attorno alle dislocazioni. Nel caso degli acciai extradolci, per 

ridurre il fenomeno dell’invecchiamento dopo deformazione occorre abbassare o 

eliminare sia il C sia l’N. Per questo, durante la conversione dei bagni metallici, si 

aggiungono elementi (Al , Ti , Nb , V , B) capaci di formare carburi o nitruri e quindi 

di sottrarre C e N dalle atmosfere di Cottrell. 

DIFETTI SUPERFICIALI 

97


I difetti superficiali sono sostanzialmente costituiti dai bordi di grano esistenti tra 

cristalli contigui. Questi cristalli si formano spesso durante la solidificazione di 

materiali liquidi e la loro forma e dimensione è condizionata dal contemporaneo 

svilupparsi dei cristalli vicini. In altri casi i materiali solidi policristallini si ottengono 

attraverso processi di sinterizzazione di polveri o di cristallizzazione di materiali 

amorfi. La superficie di contatto fra i cristalli viene considerata difettiva in quanto 

poco densa e quindi in grado di favorire i processi di diffusione. 

Esistono due tipi fondamentali di bordi di grano : i bordi di grano da flessione e i 

bordi di grano da torsione. Le diversità fra le due tipologie è mostrata nella Fig. 53 . 

bordo di grano da flessione bordo di grano da torsione 

Fig. 53 

I bordi di grano vengono preparati, per essere osservati al microscopio, 

evidenziandoli mediante attacchi chimici. I reattivi reagiscono più facilmente con le 

regioni a più alto contenuto energetico nel tentativo di diminuire l'energia complessiva 

del sistema. I bordi di grano hanno un elevato contenuto energetico in quanto sono 

zone a forte densità di dislocazioni e queste ultime sono portatrici di energia di 

deformazione. Questa energia interna è tanto più elevata quanto maggiore è l'angolo di 

torsione o di flessione tra i grani confinanti. 

I bordi di grano vanno inoltre visti come luoghi in cui si formano o vengono 

annullate la vacanze presenti nei cristalli e come luoghi in cui, per il tramite delle 

dislocazioni ivi localizzate, si concentrano soluti, impurezze, precipitati. Essi vanno 

anche visti come i luoghi dove si concentrano le dislocazioni quando si moltiplicano 

per effetto di deformazioni permanenti e come le zone in cui hanno inizio i processi di 

ricristallizzazione durante la ricottura di materiali deformati a freddo. 

Si ricorda infine che i bordi di grano devono essere anche considerati come 

ostacoli al movimento delle dislocazioni e a fenomeni di deformazione permanente e 

quindi come elementi di rafforzamento dei materiali. 

La visualizzazione dei bordi di grano consente infine di misurare la dimensione 

media dei cristalli; è stata costruita, al riguardo, una scala che va da 1 (15 cristalli 

per mm 2 ) a 10 ( quasi 8000 cristalli per mm 2 ). 

DIFETTI DI VOLUME 

98


Due sono le tipologie dei difetti di volume : i difetti di impilamento e i geminati. 

Difetti di impilamento. Spesso, particolarmente nelle strutture cristalline compatte ad 

alto numero di coordinazione ( cfc ed exc ), si osservano difetti nel modo di 

impilamento dei piani. Questi piani hanno una struttura corretta, ma si susseguono 

senza rispettare l'ordine che loro compete. Ad esempio nei materiali cfc i piani 

compatti del tipo {111} sono impilati secondo una sequenza ABCABCABCABC. Un 

difetto di impilamento è costituito da una sequenza anormale, ad es., ABCABABC.... 

Geminati. Si formano geminati quando la struttura ABCABCABC.... passa alla 

struttura simmetrica CBACBACBA....seguendo la sequenza ABCABCABC..... 

(Fig. 54). 

Fig. 54 

Il cristallo è diviso in due parti che hanno in comune un piano compatto che è un 

piano di simmetria e che viene chiamato piano di geminazione. E' in qualche misura 

un meccanismo di deformazione plastica nel senso che una parte del reticolo è 

deformato in modo da formare un'immagine speculare della parte contigua non 

deformata. 

La geminazione, come lo scorrimento, avviene lungo una direzione di 

geminazione; nello scorrimento gli atomi subiscono tutti lo stesso spostamento; nella 

geminazione si spostano in una misura che dipende dalla loro distanza dal piano di 

geminazione. Inoltre lo scorrimento lascia una serie di gradini ( linee di scorrimento ) 

mentre la geminazione lascia regioni deformate (Fig. 55). 

Fig. 55 

99


La geminazione coinvolge solo una piccola frazione del volume totale e quindi la 

quantità di deformazione totale è piccola. Inoltre le variazioni dell'orientamento del 

reticolo provocate dalla geminazione possono attivare ulteriori sistemi di scorrimento 

con un orientamento favorevole rispetto alle sollecitazioni di taglio e consentire così 

un ulteriore scorrimento. 

La geminazione è importante nei sistemi esagonali compatti, come ad es. nel Ti, e 

hanno un ridotto numero di sistemi di scorrimento; essa è stata osservata in metalli di 

questo tipo deformati a temperatura ambiente. La stesa osservazione è stata fatta 

relativamente a metalli cubici a corpo centrato (Fe , Mo , W , Ta , Cr) deformati a 

basse temperature oppure deformati a temperatura ambiente con elevate velocità di 

deformazione. Nei metalli con struttura cubica a facce centrate vi è una minore 

propensione per questo tipo di deformazione: la si può riscontrare solo per 

sollecitazioni molto forti e a temperature molto basse. 

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MATERIALI POLIMERICI - Corsi di Laurea a Distanza

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