
La frattura (o rottura) in meccanica è un fenomeno che si presenta a causa delle sollecitazioni agenti sul materiale e consiste, a livello macroscopico, nella disgregazione del materiale stesso (o oggetto) in frammenti minori.
Tale fenomeno è caratterizzato dalla disgregazione dei legami chimici che tengono uniti e coesi gli atomi costituenti il materiale; tali legami vengono rotti per effetto di un'energia esterna fornita per esempio da una sollecitazione esterna troppo intensa.
In ciascun materiale, si distinguono diversi tipi di frattura: fragile, duttile, di fatica, per creep e così via, tutti fenomeni derivanti appunto dalla rottura più o meno immediata dei legami interatomici del materiale.
La frattura può avvenire anche con basse sollecitazioni agenti sia come frattura fragile sia come collasso per fatica. La frattura può propagarsi lungo il bordo dei grani (cristalli di metallo) che compongono il materiale fratturato ("frattura intergranulare") o attraverso una frattura entro i grani stessi ("frattura transgranulare").
Generalmente si distinguono due tipi di frattura:
Nei metalli e nelle leghe, a livello microscopico, i più comuni meccanismi di frattura sono tre: frattura duttile, frattura fragile per clivaggio e frattura fragile intergranulare.
Un materiale metallico soggetto a frattura duttile presenta, macroscopicamente, sulle superfici di frattura un aspetto fibroso. Questo aspetto è dovuto alla presenza sulle superfici di micro-cavità chiamate "dimples".
Usualmente, gli stadi che si osservano nella frattura duttile sono:
Nel caso di materiali metallici per uso tecnico, a causa della loro elevata resistenza, la fase di coalescenza dei microvuoti può non avvenire. Il congiungimento delle cavità ha luogo per il cedimento lungo bande di taglio, indebolite dalla presenza delle microcavità.
La frattura per clivaggio (o "frattura di schianto") è caratterizzata da una brusca rottura del materiale, causata da una impossibilità di quest'ultimo di deformarsi plasticamente.
I materiali metallici, alle temperature di impiego comuni, difficilmente vanno incontro a frattura per clivaggio. Le condizioni che possono causare questo tipo di frattura sono le basse temperature, un alto grado di triassialità delle tensioni ed elevate velocità di applicazione della sollecitazione.
In generale la frattura per clivaggio è transgranulare e si propaga lungo i piani atomici a più bassa densità atomica, caratteristici del tipo di reticolo cristallino. Per i reticoli cubici a corpo centrato il suddetto piano è l'100 mentre per gli esagonali compatti è lo 0001.
All'inizio della frattura all'interno dello stesso grano possono crearsi più piani di frattura paralleli che tendono successivamente a confluire in un unico piano. Ciò crea i cosiddetti "river patterns" segni sulla superficie di frattura la cui direzione indica l'origine della frattura; la superficie di frattura risulta quindi composta da "faccette" lisce separate appunto dai "river patterns".
Nelle leghe polifasiche, la complessità della microstruttura fa sì che la frattura pur essendo transgranulare non avvenga su di un unico tipo di piano cristallino, creando quindi faccette meno lisce e definite.
La frattura intergranulare avviene per decoesione dei grani cristallini a livello del bordo grano. Essa è associata ad una bassa tenacità a frattura del materiale e quindi una elevata fragilità. Le superfici di frattura si presentano sfaccettate e brillanti.
La frattura intergranulare avviene quando i bordi grano, solitamente più resistenti di grani stessi, sono indeboliti diventando inevitabilmente sede del cammino di frattura.
Le principali cause della debolezza del bordo grano sono le seguenti:
Negli acciai la penetrazione nella matrice ferrosa degli atomi di idrogeno è causa dell'infragilimento da idrogeno o EAC ("Envirometal Assisted Cracking") che determina la frattura fragile dell'acciaio.
La sensibilità a questo fenomeno è tanto maggiore quanto maggiori sono le proprietà meccaniche del materiale.
Tale fenomeno si presenta ad esempio nelle condotte in acciaio interrate e condotte sottomarine dotate di protezione catodica.
Infatti in questo caso nella zona catodica dove normalmente vi è una maggiore concentrazione di idrogeno a causa di una sovraprotezione vi può essere la penetrazione di atomi idrogeno nell'acciaio.
Questa diffusione dipende anche dalla struttura microcristallina dell'acciaio.
Le cause sono varie, comunque i metalli con reticolo cristallino cubico a facce centrate (cfc) (es. Al e acciai inossidabili austenitici) non presentano frattura fragile anche a basse temperature (70 K), invece i materiali con reticolo cubico a corpo centrato (ccc) (es. acciai ferritici) presentano una temperatura di transizione, al di sotto della quale il comportamento passa da duttile a fragile. Questa temperatura, oltre che dalla composizione di lega, è fortemente influenzata dai trattamenti termici subiti dall'acciaio nel corso della costruzione e può essere influenzata anche da fenomeni esterni come la corrosione intergranulare o l'irraggiamento neutronico che subiscono gli acciai costituenti il recipiente reattore in impianti nucleari.
Se si analizza a livello atomico la frattura, si può ragionevolmente pensare che essa avvenga in corrispondenza della rottura dei legami interatomici. Affinché i legami atomici vengano rotti deve essere applicato una sforzo di trazione, almeno pari alla sforzo coesivo dei suddetti legami.
Si consideri un solo legame atomico con distanza di equilibrio formula_1 al quale viene applicata una forza formula_2 di trazione che tende ad aumentare la distanza interatomica formula_3.
L'andamento della forza applicata in funzione dello spostamento interatomico può essere in prima approssimazione rappresentata da metà periodo di sinusoide (per semplicità consideriamo l'origine in formula_1)
dove formula_6 è la forza di coesione (che corrisponde alla forza massima), e formula_7 è una opportuna costante.
La rigidezza del legame, calcolata come la derivata in formula_8 della forza applicata è
Moltiplicando entrambi i termini della precedente equazione per il numero di legami per unità di area e per la distanza interatomica formula_1 si ricava:
che risolta per formula_12 risulta:
dove formula_12 è lo sforzo di coesione e formula_15 è il modulo elastico a trazione del materiale.
Si può calcolare inoltre l'energia di superficie come metà dell'energia di frattura (poiché due sono le superfici che si formano),
Combinando quest'ultima con l'espressione precedente di formula_12 risulta
Perché avvenga la frattura lo sforzo applicato deve essere maggiore o uguale allo sforzo coesivo e, se si approssima ragionevolmente la costante formula_7 a formula_1, si nota che formula_21. Ciò però non concorda con quanto trovato sperimentalmente, in quanto gli sforzi di frattura misurati sperimentalmente sono in valore due o tre ordini di grandezza minori del modulo elastico.
Ciò è dovuto all'effetto dell'intrinseca presenza di difetti nei materiali, che viene studiato dalla meccanica della frattura.


In scienza dei materiali, la resistenza meccanica (o tensione di rottura) è una proprietà meccanica che indica il massimo sforzo che un generico materiale è in grado di sopportare prima che sopraggiunga la sua rottura.
Tale resistenza meccanica ai vari tipi di sollecitazione può essere misurata con prove specifiche di compressione, trazione, flessione, taglio e torsione su un provino, che permettono di caratterizzare rispettivamente di resistenza a compressione, resistenza a trazione, ecc.
Essa dipende da innumerevoli fattori quali:
I materiali ricorrenti nell'ingegneria civile sono di tre specie:
Di norma i materiali duttili vengono provati a trazione; i fragili alla compressione; i plastici a taglio.
I materiali plastici sono largamente studiati per esempio in geotecnica.
La resistenza dei materiali duttili si può calcolare con due metodi:
