Una nuova teoria proposta dal prof. Michele Ciavarella del Politecnico di Bari e pubblicata sulla prestigiosa rivista Journal of the Mechanics and Physics of Solids (Cancelling the effect of sharp notches or cracks with graded elastic modulus materials https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105809), apre nuovi orizzonti nella meccanica della frattura, teorizzando la possibilità di riparare materiali in presenza di fessure o rendere gli stessi più resistenti tramite una gradazione della loro rigidezza nella direzione della potenziale direzione di propagazione della stessa.
La teoria della meccanica della frattura ha oltre 100 anni, da quando Griffith riconobbe come una fessura concentra gli sforzi nel materiale in modo che un sufficiente carico provoca una rottura immediata, specie nei materiali cosiddetti fragili, come il vetro o i ceramici. Da allora ci sono stati ovviamente molti sviluppi perché la frattura può provocare rotture pericolose in tutti i componenti di interesse ingegneristico, dalle strutture civili come ponti o edifici, o aeronautiche o meccaniche in generale, provocando possibili incidenti di cui molti sono noti anche al grande pubblico.
Finora i materiali sono stati migliorati con trattamenti speciali che ne aumentano la resistenza, o con meccanismi di arresto delle possibili cricche, ma le possibilità sono molto aumentate da quando le strutture si possono stampare con le stampanti 3D, specie quelle di materiali plastici. Con queste stampe è possibile quindi, secondo la teoria del Prof. Ciavarella, graduare la rigidezza in modo da rendere meno probabile l’insorgenza di rottura in posizioni già noti come possibili inneschi di rottura, come intagli o giunzioni.
In questi casi, l’articolo del prof. Ciavarella dimostra come il materiale, anche in presenza di intaglio o cricca, per via della nuova gradazione della rigidezza, la cricca effettivamente “scompare” e il materiale si comporta come se fosse integro. Una tecnica vagamente simile nelle strutture metalliche tradizionali era nota come “hole drilling” ossia foratura dell’apice della cricca, ed era nota come tecnica di manutenzione palliativa di una vera sostituzione del materiale, dato che in presenza del foro la resistenza rimane comunque ridotta.
La nuova tecnica invece permette una completa cancellazione della cricca, qualunque sia la sua dimensione. Una conseguenza ulteriore è che l’effetto scala, già noto a Galileo, ossia la riduzione della resistenza nelle strutture più grandi, viene anche esso eliminato. Sono al momento allo studio collaborazioni in diverse parti del mondo (Cina Stati Uniti e Irlanda in particolare) per verifiche sperimentali della teoria e per ottimizzare ulteriormente la tecnica, specie per materiali polimerici. Alcuni studiosi in Cina (Università di Pechino) avevano empiricamente dimostrato (Tough and fatigue-resistant polymer networks by crack tip softening, PNAS, https://doi.org/10.1073/pnas.2217781120) per esempio che un trattamento con la luce di alcuni polimeri per rendere più soffice la zona della cricca aveva già aumentato la resistenza del materiale e la teoria del prof. Ciavarella fornisce una spiegazione a questo fenomeno. Si attendono quindi sviluppi di questa interessante teoria in un campo classico come quello di meccanica della frattura.
