FINALITA' DELLE FIBRE: ARRESTO delle FESSURE

Fino ad ora, abbiamo capito come si genera una fessura, e abbiamo capito anche quali sono le condizioni affinchè essa si propaghi nel materiale. Ora vediamo cosa si può fare per arrestare una fessura e fare in modo che essa non dia luogo ad una completa rottura del materiale, propagandosi incontrollatamente.

Partiamo col dire che per un materiale tenace come l'acciaio o i metalli in genere, questo è abbastanza semplice in virtù di un lavoro di frattura (W) che si aggira grosso modo dai 10.000 ai 1.000.000 J/mq. In questi casi, dunque, a differenza di un materiale fragile, una cricca dovrà essere parecchio lunga (a volte di metri!) per poter dar luogo ad una propagazione spontanea. In un materiale fragile però il lavoro di frattura di per se non è molto elevato. Prendiamo il caso del vetro: è un materiale che avrebbe una resistenza teorica alla trazione incredibilmente elevata, se non fosse che essendo così drammaticamente fragile, una qualunque fessura infinitesimale (sulla superficie del vetro normalmente ce ne sono a migliaia) fa crollare la sua resistenza. Tramite sofisticati esperimenti di laboratorio, si è dimostrato che fibre di vetro estremamente sottili (dell'ordine di pochi millesimi di millimetro) e quasi totalmente prive di fessure hanno resistenze di oltre 60.000 Kg/cm2!! Per fare un paragone, gli acciai ad alta resistenza superano di poco i 20.000 kg/cm2.

Come è possibile migliorare sensibilmente la tenacità di un materiale che normalmente è molto fragile? La risposta è suggerita dalla vetroresina. La vetroresina è un materiale composito, formato da piccole fibre di vetro (catastroficamente fragile) immerse in una matrice di resina indurita (leggermente meno fragile del vetro, non di molto). Come è possibile dunque ottenere un composto così tenace, da poterci costruire addirittura gli scafi delle barche, semplicemente unendo vetro e resina? Ebbene, la risposta è racchiusa in ciò che viene definito "trappola di Cook-Gordon".

J. Cook e J. E. Gordon studiarono negli anni '60 cosa accadeva alle fessure in un solido in materiale composito. La loro attenzione si rivolse in particolare alla fessura in propagazione quando sta per raggiungere la zona di separazione tra i due componenti del materiale. Trovarono che, per un complicato equilibrio di forze in gioco, in corrispondenza dell'apice di una fessura, non solo si hanno forze di trazione in direzione perpendicolare alla fessura (quindi nella direzione dello sforzo applicato all'intero corpo) che tendono ad allargare ulteriormente la fessura, ma sono presenti anche tensioni in direzione parallela alla fessura. Queste ultime sono più acute non in corrispondenza dell'apice ma bensì poco sotto (si veda la figura), ed inoltre sono sempre circa un quinto di quelle perpendicolari, in termini di intensità. Cook e Gordon si resero conto che in un materiale composito, quando la fessura in propagazione sta per raggiungere la zona di separazione tra i due componenti del materiale, le forze parallele alla fessura molto spesso tendono a separare tra loro i due materiali. Questo meccanismo crea una seconda microfessurazione sul cammino della fessura principale; quando questa, nel propagarsi ulteriormente, incontra la nuova microfessura indotta (disposta perpendicolarmente alla prima), ne viene intrappolata. Riprendendo la formula di Inglis, è come se ora la fessura avesse un raggio molto maggiore, e quindi il fattore di moltiplicazione degli sforzi all'apice della fessura crolla bruscamente, alleviando le tensioni localmente e arrestandone la propagazione.

Si potrebbe obiettare che in questo modo si è arrestato una prima fessura, creandone una seconda... Sebbene questo sia vero, è anche vero che la tendenza a propagare di una fessura disposta parallelamente alla tensione è generalmente nulla. Quindi il sistema si stabilizza e la fessurazione si interrompe.