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In scienza dei materiali, una frattura è la separazione di un corpo in due o più parti. Può presentarsi come rottura netta, incrinatura che avanza o cedimento graduale. Comprendere come e perché un materiale si frattura aiuta a leggere fenomeni quotidiani, dal vetro scheggiato alla crepa in un osso, senza entrare nell’ambito della cura o della diagnosi.
Una frattura nasce da difetti che concentrano tensioni; la cricca si propaga quando l’energia disponibile supera la resistenza del materiale. Composizione, temperatura, velocità di carico e geometria determinano il comportamento. Gli stessi principi descrivono ossa e oggetti: interpretano il fenomeno, non sostituiscono valutazioni cliniche.
Perché i materiali si fratturano?
I materiali si fratturano perché le sollecitazioni non sono distribuite in modo uniforme. Un poro, un graffio o un intaglio in superficie creano una forte concentrazione di tensione che facilita l’innesco della cricca e la sua crescita.
Qual è la differenza tra cricca e frattura?
La cricca è un difetto che non divide ancora il pezzo; la frattura è la separazione completa. Una cricca può crescere lentamente sotto carichi ripetuti (fatica) o accelerare in modo catastrofico quando le forze superano la resistenza del materiale.
Meccanica della frattura in breve
Al bordo della cricca gli sforzi si amplificano:
è qui che avviene la propagazione. In termini semplici, la cricca avanza se l’energia che “spinge” l’apertura supera l’energia necessaria a creare nuove superfici e le perdite per plasticizzazione locale. Parametri come il fattore d’intensità degli sforzi (K) riassumono questo equilibrio.
Un’analogia utile è lo strappo di un foglio: un piccolo taglio rende più facile continuare a strappare, perché concentra gli sforzi. Lo stesso accade nel vetro, nel gesso o nel legno, dove la direzione delle fibre guida la rottura.
Concetti essenziali sulla frattura
- Una frattura nasce da difetti microscopici che concentrano tensioni.
- La propagazione della cricca dipende da materiale, carico e velocità.
- La tenacità alla frattura misura la resistenza alla crescita della cricca.
- Temperature basse rendono i materiali più fragili e meno duttili.
- Geometria e dimensione del provino influenzano la misura ottenuta.
- La fatica produce fratture anche sotto carichi ripetuti moderati.
Tipi di frattura: dalla fragile alla fatica
La frattura non è unica: cambia aspetto, causa scatenante e velocità di propagazione. Osservare la superficie di rottura spesso rivela indizi utili sul meccanismo dominante.
- Frattura fragile: avviene con scarsa o nulla deformazione plastica. Nel vetro o in alcune ceramiche, la superficie di rottura è lucida e “speculare”. È rapida e può propagarsi a velocità elevate quando il difetto trova la giusta direzione.
- Frattura duttile: preceduta da deformazione. Nei metalli tenaci compaiono “coppe e coni” o micro-vuoti coalescenti. L’energia assorbita è maggiore e la rottura procede più lentamente, lasciando segni di scorrimento plastico.
- Transgranulare vs intergranulare: nei policristalli, la cricca può attraversare i grani (transgranulare) o seguire i bordi di grano (intergranulare). L’impurità ai bordi o l’infragilimento termico favoriscono il percorso intergranulare.
- Frattura da fatica: cresce sotto carichi ciclici anche moderati. Le “strie” sulla superficie indicano avanzamenti per cicli; la velocità di crescita è spesso descritta dalla Legge di Paris, con parametri dipendenti dal materiale e dall’ambiente.
- Frattura da creep: a temperature elevate e carichi prolungati, il materiale scorre lentamente. Compaiono cavitazioni e micro-voids che portano a rottura; tipica nei metalli a caldo e in polimeri sotto carico nel tempo.
- Compositi e laminati: la cricca può deviare, delaminare o ponteggiare tra fibre. La resistenza dipende dall’adesione matrice‑fibre e dall’architettura; spesso la propagazione è tortuosa e dissipa molta energia.
- Ossa e tessuti duri: l’osso è un composito naturale stratificato. Mostra meccanismi di toughening a più scale; piccole ossa, come quelle di un dito del piede, possono danneggiarsi con urti ripetuti, anche se non sempre ciò implica un osso “rotto” completo.
Cosa influenza la resistenza alla frattura?
La capacità di un materiale di contrastare l’avanzamento di una cricca dipende da molteplici fattori. Alcuni sono intrinseci (composizione, microstruttura), altri legati alle condizioni d’uso e alla geometria.
Temperatura e velocità di carico
Molti materiali diventano più fragili se raffreddati o caricati molto rapidamente. Alcuni acciai mostrano una temperatura di transizione tra comportamento duttile e fragile; gli urti ad alta velocità riducono il tempo per la deformazione plastica, favorendo rotture più nette.
Difetti e dimensione
Difetti più grandi o più acuti aumentano la concentrazione di sforzo all’apice della cricca. Anche l’“effetto scala” conta: provini più grandi hanno maggiore probabilità di contenere difetti critici. Per questo il controllo qualità riduce inclusioni, porosità e graffi superficiali.
Forma e intagli
Spigoli vivi, fori e raccordi stretti agiscono da amplificatori di sforzo. Ridurre gli intagli, aumentare i raggi di raccordo e distribuire i carichi limita l’innesco di cricche. Lo stesso principio spiega perché un urto su un’estremità di un’asta produce rotture localizzate.
Misurare la frattura: K_IC e prove
La tenacità alla frattura quantifica la resistenza alla crescita della cricca. In campo elastico lineare, K_IC è la misura in deformazione piana; gli standard stabiliscono geometrie e condizioni per ottenere valori confrontabili .
Esistono prove d’urto come la prova di resilienza Charpy, utili a confrontare l’energia assorbita in rottura.
Valori tipici di tenacità variano ampiamente: il vetro è intorno a 0,7–1 MPa√m, l’osso corticale circa 2–6 MPa√m, leghe di alluminio 25–40 MPa√m, acciai 50–200 MPa√m . Per la crescita di cricca a fatica, un intervallo ampio segue la Legge di Paris, con costanti dipendenti dal materiale .
Domande frequenti
Qual è la differenza tra frattura fragile e duttile?
Fragile: rottura rapida con poca deformazione, superfici lisce e lucide. Duttile: deformazione marcata, assorbimento di energia e superfici con micro-cavità. Dipende da materiale, temperatura e velocità di carico.
Cosa indica la tenacità alla frattura K_IC?
Misura la resistenza di un materiale alla propagazione di una cricca in condizioni di deformazione piana. Valori più alti indicano maggiore capacità di assorbire energia prima della rottura.
Perché il vetro si rompe “di netto” rispetto all’acciaio?
Il vetro è fragile: non dispone di meccanismi plastici per rilassare gli sforzi; la cricca avanza rapidamente. L’acciaio è più duttile: prima si deforma, distribuendo le tensioni e dissipando energia.
Come cresce una frattura da fatica con carichi bassi?
Con carichi ciclici, la cricca può avanzare a ogni ciclo anche se lo sforzo massimo è sotto la resistenza statica. La velocità dipende dall’intensità ciclica e dal materiale.
Perché dita e piede sembrano più esposti a fratture?
Sono parti sottili, spesso soggette a urti e torsioni locali. Le piccole sezioni concentrano gli sforzi; l’interpretazione scientifica non sostituisce valutazioni su salute o traumi, che spettano a professionisti.
Una crepa è sempre segno di “rotto”?
No. Una cricca è un difetto che può restare stabile, crescere lentamente o portare alla separazione completa. Il termine “rotto” descrive la frattura finale, non tutte le fasi intermedie.
In sintesi sulla frattura
- Le fratture nascono da difetti e si amplificano con le tensioni.
- La tenacità alla frattura esprime la resistenza alla propagazione delle cricche.
- Materiale, temperatura e velocità di carico cambiano il tipo di rottura.
- Le prove standardizzate permettono confronti affidabili tra materiali.
- Le fratture nelle ossa condividono principi con altri materiali, ma richiedono valutazione clinica.
Osservare come un materiale si rompe rivela molto sul suo “carattere”. Dai difetti microscopici alla geometria del pezzo, ogni dettaglio influenza l’innesco e la velocità di propagazione. Sperimentare in sicurezza con materiali comuni (gesso, legno, plastica) aiuta a riconoscere i meccanismi senza rischi inutili.
Gli stessi principi spiegano perché un oggetto possa sembrare “rotto” dopo un urto localizzato e perché piccole strutture, come un dito, siano più vulnerabili agli impatti. Per qualsiasi decisione su sicurezza, integrità strutturale o salute, è sempre opportuno rivolgersi a fonti qualificate o a professionisti del settore.