Proprietà di trazione

Le proprietà di trazione indicano come il materiale reagirà alle forze applicate in tensione. Una prova di trazione è una prova meccanica fondamentale in cui un provino preparato con cura viene caricato in modo molto controllato, misurando il carico applicato e l’allungamento del provino su una certa distanza. Le prove di trazione sono utilizzate per determinare il modulo di elasticità, il limite elastico, l’allungamento, il limite proporzionale, la riduzione dell’area, la resistenza alla trazione, il punto di snervamento, la resistenza allo snervamento e altre proprietà di trazione.

Il prodotto principale di una prova di trazione è una curva di carico rispetto all’allungamento che viene poi convertita in una curva di stress rispetto alla deformazione. Poiché sia la sollecitazione che la deformazione ingegneristica si ottengono dividendo il carico e l’allungamento per valori costanti (informazioni sulla geometria del provino), la curva carico-allungamento avrà la stessa forma della curva sforzo-deformazione ingegneristica. La curva sforzo-deformazione mette in relazione la sollecitazione applicata con la deformazione risultante e ogni materiale ha la sua curva di sforzo-deformazione unica. Una tipica curva di sforzo-deformazione ingegneristica è mostrata qui sotto. Se si usa il vero stress, basato sull’effettiva area della sezione trasversale del provino, si trova che la curva sforzo-deformazione aumenta continuamente fino alla frattura.

Regione lineare-elastica e costanti elastiche
Come si può vedere nella figura, lo stress e la deformazione inizialmente aumentano con una relazione lineare. Questa è la parte lineare-elastica della curva e indica che non si è verificata alcuna deformazione plastica. In questa regione della curva, quando la sollecitazione viene ridotta, il materiale tornerà alla sua forma originale. In questa regione lineare, la linea obbedisce alla relazione definita come legge di Hooke dove il rapporto tra sforzo e deformazione è una costante.

La pendenza della linea in questa regione dove la sollecitazione è proporzionale alla deformazione è chiamata modulo di elasticità o modulo di Young. Il modulo di elasticità (E) definisce le proprietà di un materiale quando è sottoposto a stress, si deforma e ritorna alla sua forma originale dopo che lo stress viene rimosso. È una misura della rigidità di un dato materiale. Per calcolare il modulo di elasticità, basta dividere la sollecitazione per la deformazione del materiale. Poiché la deformazione è senza unità, il modulo avrà le stesse unità della sollecitazione, come kpi o MPa. Il modulo di elasticità si applica specificamente alla situazione di un componente che viene allungato con una forza di trazione. Questo modulo è interessante quando è necessario calcolare quanto una barra o un filo si allunga sotto un carico di trazione.

Ci sono diversi tipi di moduli a seconda del modo in cui il materiale viene allungato, piegato o altrimenti distorto. Quando un componente è sottoposto a taglio puro, per esempio, una barra cilindrica sotto torsione, il modulo di taglio descrive la relazione lineare-elastica stress-strain.

La deformazione assiale è sempre accompagnata da deformazioni laterali di segno opposto nelle due direzioni reciprocamente perpendicolari alla deformazione assiale. Le deformazioni che risultano da un aumento della lunghezza sono designate come positive (+) e quelle che risultano da una diminuzione della lunghezza sono designate come negative (-). Il rapporto di Poisson è definito come il negativo del rapporto tra la deformazione laterale e la deformazione assiale per uno stato di sforzo monoassiale.

Il rapporto di Poisson è talvolta definito anche come il rapporto tra i valori assoluti della deformazione laterale e assiale. Questo rapporto, come la deformazione, è senza unità poiché entrambe le deformazioni sono senza unità. Per sollecitazioni all’interno dell’intervallo elastico, questo rapporto è approssimativamente costante. Per un materiale elastico perfettamente isotropo, il rapporto di Poisson è 0,25, ma per la maggior parte dei materiali il valore è compreso tra 0,28 e 0,33. Generalmente per gli acciai, il rapporto di Poisson avrà un valore di circa 0,3. Questo significa che se c’è un pollice per pollice di deformazione nella direzione in cui viene applicato lo stress, ci saranno 0,3 pollici per pollice di deformazione perpendicolare alla direzione in cui viene applicata la forza.

Solo due delle costanti elastiche sono indipendenti, quindi se due costanti sono note, la terza può essere calcolata utilizzando la seguente formula:

E = 2 (1 + n) G.

dove:	E	=	modulo di elasticità (modulo di Young)
	n	=	rapporto di Poisson
	G	=	modulo di rigidità (modulo di taglio)

Un paio di costanti elastiche aggiuntive che si possono incontrare includono il modulo di massa (K), e le costanti di Lame (m e l). Il modulo di massa è usato per descrivere la situazione in cui un pezzo di materiale è sottoposto a un aumento di pressione su tutti i lati. La relazione tra il cambiamento di pressione e la conseguente deformazione prodotta è il modulo di massa. Le costanti di Lame sono derivate dal modulo di elasticità e dal rapporto di Poisson.

Punto di snervamento
Nei materiali duttili, ad un certo punto, la curva sforzo-deformazione si discosta dalla relazione rettilinea e la legge non si applica più in quanto la deformazione aumenta più velocemente della tensione. Da questo punto in poi nella prova di trazione, si verifica una certa deformazione permanente nel provino e si dice che il materiale reagisce plasticamente a qualsiasi ulteriore aumento del carico o della sollecitazione. Il materiale non tornerà alla sua condizione originale, non sollecitato, quando il carico viene rimosso. Nei materiali fragili, si verifica poca o nessuna deformazione plastica e il materiale si rompe vicino alla fine della parte lineare-elastica della curva.

Nella maggior parte dei materiali c’è una transizione graduale dal comportamento elastico a quello plastico, e il punto esatto in cui inizia la deformazione plastica è difficile da determinare. Pertanto, vengono utilizzati diversi criteri per l’inizio dello snervamento, a seconda della sensibilità delle misurazioni di deformazione e dell’uso previsto dei dati. (Vedi Tabella) Per la maggior parte delle applicazioni di progettazione ingegneristica e specifiche, viene utilizzato il limite di snervamento. Il limite di snervamento è definito come la sollecitazione richiesta per produrre una piccola quantità di deformazione plastica. Il limite di snervamento compensato è la sollecitazione corrispondente all’intersezione della curva sforzo-deformazione e una linea parallela alla parte elastica della curva compensata da una deformazione specificata (negli Stati Uniti la compensazione è tipicamente 0,2% per i metalli e 2% per la plastica).

In Gran Bretagna, il carico di snervamento è spesso indicato come la tensione di prova. Il valore di offset è 0,1% o 0,5%

Per determinare il carico di snervamento usando questo offset, si trova il punto sull’asse di deformazione (asse x) di 0,002, e poi si traccia una linea parallela alla linea di sforzo-deformazione. Questa linea intersecherà la linea di sforzo-deformazione leggermente dopo che ha iniziato a curvare, e questa intersezione è definita come il limite di snervamento con un offset dello 0,2%. Un buon modo di vedere il carico di snervamento sfalsato è che dopo che un provino è stato caricato al suo carico di snervamento sfalsato dello 0,2% e poi scaricato, sarà più lungo dello 0,2% rispetto a prima della prova. Anche se il carico di snervamento è inteso a rappresentare il punto esatto in cui il materiale diventa permanentemente deformato, l’allungamento dello 0,2% è considerato una quantità tollerabile di sacrificio per la facilità che crea nel definire il carico di snervamento.

Alcuni materiali come la ghisa grigia o il rame morbido non mostrano essenzialmente un comportamento lineare-elastico. Per questi materiali la pratica usuale è quella di definire il carico di snervamento come lo sforzo richiesto per produrre una certa quantità totale di deformazione.

• Il vero limite elastico è un valore molto basso ed è legato al movimento di alcune centinaia di dislocazioni. Le misure di micro-deformazione sono necessarie per rilevare una deformazione dell’ordine di 2 x 10 -6 in/in.
• Il limite proporzionale è la massima sollecitazione alla quale la tensione è direttamente proporzionale alla deformazione. Si ottiene osservando la deviazione dalla porzione di linea retta della curva sforzo-deformazione.
• Il limite elastico è la massima sollecitazione che il materiale può sopportare senza che rimanga alcuna deformazione permanente misurabile al rilascio completo del carico. Viene determinato utilizzando una noiosa procedura di prova di carico-scarico incrementale. Con la sensibilità delle misure di deformazione solitamente impiegate negli studi di ingegneria (10 -4in/in), il limite elastico è maggiore del limite proporzionale. Con l’aumento della sensibilità della misurazione della deformazione, il valore del limite elastico diminuisce fino a quando non eguaglia il vero limite elastico determinato dalle misurazioni di micro-deformazione.
• Il carico di snervamento è la sollecitazione richiesta per produrre una piccola quantità di deformazione plastica specificata. Il carico di snervamento ottenuto con un metodo offset è comunemente usato per scopi ingegneristici perché evita le difficoltà pratiche di misurare il limite elastico o il limite proporzionale.

Resistenza alla trazione
La resistenza alla trazione (UTS) o, più semplicemente, la resistenza alla trazione, è il massimo livello di stress ingegneristico raggiunto in una prova di trazione. La resistenza di un materiale è la sua capacità di resistere a forze esterne senza rompersi. Nei materiali fragili, l’UTS sarà alla fine della parte lineare-elastica della curva sforzo-deformazione o vicino al limite elastico. Nei materiali duttili, l’UTS sarà ben al di fuori della parte elastica nella parte plastica della curva sforzo-deformazione.

Sulla curva sforzo-deformazione di cui sopra, l’UTS è il punto più alto in cui la linea è momentaneamente piatta. Poiché l’UTS si basa sulla sollecitazione ingegneristica, spesso non è la stessa cosa del carico di rottura. Nei materiali duttili si verifica l’incrudimento e la sollecitazione continuerà ad aumentare fino alla frattura, ma la curva sforzo-deformazione ingegneristica può mostrare un declino nel livello di sollecitazione prima che si verifichi la frattura. Questo è il risultato della sollecitazione ingegneristica che si basa sull’area originale della sezione trasversale e non tiene conto della necking che si verifica comunemente nel provino. L’UTS può non essere completamente rappresentativo del più alto livello di sollecitazione che un materiale può sostenere, ma il valore non è comunque tipicamente usato nella progettazione dei componenti. Per i metalli duttili la pratica corrente di progettazione è di usare il carico di snervamento per il dimensionamento dei componenti statici. Tuttavia, poiché l’UTS è facile da determinare e abbastanza riproducibile, è utile ai fini della specificazione di un materiale e per il controllo qualità. D’altra parte, per i materiali fragili, la progettazione di un componente può essere basata sulla resistenza alla trazione del materiale.

Misure di duttilità (allungamento e riduzione dell’area)
La duttilità di un materiale è una misura della misura in cui un materiale si deforma prima della frattura. La quantità di duttilità è un fattore importante quando si considerano operazioni di formatura come la laminazione e l’estrusione. Fornisce anche un’indicazione di quanto visibile possa diventare il danno da sovraccarico di un componente prima che il componente si fratturi. La duttilità è anche usata come misura di controllo della qualità per valutare il livello di impurità e la corretta lavorazione di un materiale.

Le misure convenzionali della duttilità sono la deformazione ingegneristica alla frattura (solitamente chiamata allungamento) e la riduzione dell’area alla frattura. Entrambe queste proprietà si ottengono rimettendo insieme il provino dopo la frattura e misurando il cambiamento nella lunghezza e nell’area della sezione trasversale. L’allungamento è il cambiamento nella lunghezza assiale diviso per la lunghezza originale del provino o della porzione di provino. Viene espresso in percentuale. Poiché una frazione apprezzabile della deformazione plastica sarà concentrata nella regione del collo del provino di trazione, il valore dell’allungamento dipenderà dalla lunghezza del calibro su cui viene effettuata la misurazione. Più piccola è la lunghezza del calibro, maggiore sarà la grande deformazione localizzata nella regione del collo nel calcolo. Pertanto, quando si riportano i valori di allungamento, si dovrebbe indicare la lunghezza del calibro.

Un modo per evitare la complicazione della strozzatura è quello di basare la misura dell’allungamento sulla deformazione uniforme fino al punto in cui inizia la strozzatura. Questo funziona bene a volte, ma alcune curve di sforzo-deformazione ingegneristiche sono spesso abbastanza piatte in prossimità del carico massimo ed è difficile stabilire con precisione la deformazione quando inizia lo scollamento.

La riduzione dell’area è il cambiamento dell’area della sezione trasversale diviso per l’area della sezione trasversale originale. Questo cambiamento è misurato nella regione del provino con il collo verso il basso. Come l’allungamento, è solitamente espresso in percentuale.

Come discusso in precedenza, la tensione è solo uno dei modi in cui un materiale può essere caricato. Altri modi di caricare un materiale includono compressione, flessione, taglio e torsione, e ci sono un certo numero di test standard che sono stati stabiliti per caratterizzare come un materiale si comporta in queste altre condizioni di carico. Un’introduzione molto sommaria ad alcune di queste altre proprietà dei materiali sarà fornita nella prossima pagina.