Proprietà meccaniche
Proprietà dei materiali
Tutti i materiali sono soggetti a sollecitazioni (forze) di varia natura che ne determinano deformazioni macroscopiche.
Spesso le proprietà meccaniche sono il fattore più importante che determina le potenziali applicazioni di un materiale.
Le proprietà meccaniche sono strettamente collegate alla natura dei legami, disposizione degli atomi e microstruttura dei materiali.
Proprietà meccaniche
Le proprietà meccaniche di un materiale si determinano con prove di laboratorio che riproducono le condizioni di esercizio.
Le proprietà meccaniche si differenziano in base alla sollecitazione applicata. Il carico applicato può essere:
Trazione
Flessione
Compressione
Taglio
Torsione
Dipendenza dal tempo. Rispetto al tempo la distribuzione della sollecitazione applicata può essere:
Istantanea
Continua
Alternata
Dipendenza dalle condizioni ambientali: temperatura, umidità….
Proprietà meccaniche
Proprietà meccaniche
Ogni oggetto sottoposto ad una forza meccanica si deforma.
Tale deformazione è dovuta a livello microscopico allo spostamento degli atomi dalla loro posizione di equilibrio.
Ciò produce una forza uguale ed opposta che tende ad opporsi alla deformazione ed a riportare il solido alla forma originale quando la forza non è più applicata se la forza non ha provocato la rottura o deformazione permanente.
Proprietà meccaniche
Proprietà meccaniche: Prove di TRAZIONE
Sono le prove più comunemente utilizzate per determinare le proprietà meccaniche quali modulo elastico, resistenza, allungamento a rottura, tenacità.
Si applica una deformazione controllata ad un provino a osso di cane (una traversa è fissa l’altra è mobile).
Si misura la risposta del campione in termini di forza.
Proprietà meccaniche: Prove di TRAZIONE Lo sforzo e la deformazione si calcolano da:
allungamento del provino
forza del provino
A
[N⋅m-2] sforzo (stress) (adim.) deformazione (strain)
Provino
Proprietà meccaniche: Prove di TRAZIONE
Apparecchiatura di prova
I materiali che si deformano meno sono detti più rigidi.
La rigidità si apprezza valutando il diagramma σ-ε
1. Modulo elastico (rigidità - stiffness) 2. Carico di snervamento (yield strength) 3. Resistenza a trazione (tensile strength)
4. Deformazione a rottura (duttilità – rupture strength) 5. Tenacità
Proprietà meccaniche: Prove di TRAZIONE Curva sforzo (σ) - deformazione (ε)
Comportamento elastico lineare – primo tratto della curva Proprietà meccaniche: Prove di TRAZIONE
Curva sforzo (σ) - deformazione (ε)
σ
ε
E
σ = E ⋅ ε
Legge di Hooke
Modulo di Young
Comportamento elastico non lineare – primo tratto della curva Proprietà meccaniche: Prove di TRAZIONE
Curva sforzo (σ) - deformazione (ε)
E: ceramici > metalli > solidi ionici > polimeri
Proprietà meccaniche: Modulo elastico
Proprietà meccaniche: Modulo elastico
Il modulo elastico E dipende dalla capacità dei legami atomici di deformarsi.
Durante la deformazione elastica i legami vengono allungati, ma non rotti.
Più è alta la forza di legame, maggiore è la rigidità del materiale.
Proprietà meccaniche: Carico di Snervamento
La resistenza allo snervamento divide la regione a comportamento elastico dalla regione a comportamento plastico.
Si determina una deformazione permanente nel provino.
A volte questo valore non è facilmente individuabile.
Il limite apparente di elasticità è definito allo 0.2% di deformazione permanente.
Superato il carico di snervamento vale una legge del tipo:
σ = k ε n
Proprietà meccaniche: Fragilità e Duttilità
Raggiunto il limite della deformazione elastica, un materiale si può comportare in due modi:
Il campione si rompe.
Il campione continua a deformarsi, e la deformazione resta anche dopo che la forza agente viene annullata.
I due tipi di comportamento definiscono la fragilità e la duttilità di un campione.
Per i materiali fragili la duttilità è innescata in punti di difetti. I materiali fragili resistono meglio a compressione dal momento che la compressione tende a chiudere il difetto e non ad ampliarlo.
I materiali duttili hanno lo stesso comportamento in trazione ed in compressione.
Proprietà meccaniche: Fragilità
Nei materiali fragili, l’impossibilità degli atomi di scorrere provoca la rottura catastrofica del materiale quando la forza applicata supera la forza di legame.
La resistenza dovrebbe essere proporzionale al modulo elastico.
Ciò si verifica solo in parte, in quanto i materiali fragili sono sensibili alle proprietà superficiali.
S: punto di frattura fragile
Proprietà meccaniche: Duttilità
Nei materiali duttili lo sforzo cresce fino ad arrivare ad un massimo.
Successivamente lo sforzo comincia a diminuire per effetto dello scorrimento plastico.
Il valore massimo dello sforzo è detto resistenza a trazione o modulo di rottura.
La duttilità definisce la capacità del materiale di deformarsi (allungamento %) prima della rottura: [(L-L0)/L0]⋅100
R: sforzo massimo di trazione F: punto di frattura duttile
Nei materiali plastici la duttilità è legata al movimento delle catene.
Nei materiali metallici la duttilità è legata alle dislocazioni.
A: carico di snervamento
Proprietà meccaniche: Strizione
Quando la sezione del provino non si riduce in modo costante si entra nel campo della strizione.
Rs: carico di snervamento Rm: carico di rottura
Proprietà meccaniche: Tenacità
La tenacità è la capacità di un materiale di assorbire energia prima di rompersi.
La tenacità dipende da resistenza (modulo elastico) e duttilità.
alta resistenza, bassa duttilità, bassa tenacità media resistenza, media duttilità, alta tenacità
bassa resistenza, alta duttilità, bassa tenacità Campione resistente (duro) ma
non tenace. La forza per romperlo è alta, ma il materiale non si allunga molto prima di rompersi.
Materiale fragile.
Se un campione non si può deformare, l’energia non viene dissipata ed il campione si rompe.
Proprietà meccaniche: Prove di flessione
Per i materiali fragili si preferisce calcolare le proprietà di meccaniche attraverso prove di flessione.
Nelle prove di trazione la notevole sensibilità dei materiali ai difetti fa si che la rottura possa avvenire in corrispondenza dei morsetti di prova.
Nella prova a flessione l’assenza di ammorsaggi permetti di ottenere risultati più significativi.
Proprietà meccaniche: Prove di durezza
La durezza si definisce come la resistenza di un materiale alla deformazione plastica localizzata.
Per determinare la resistenza si usa un penetratore.
Dall’area o impronta del penetratore sulla superficie del materiale se ne determina la durezza.
Durezza e resistenza a trazione sono confrontabili.
Proprietà meccaniche: Prove di impatto
Nelle prove di impatto un provino viene portato a rottura sotto l’urto di una massa in caduta libera pendolare.
Le prove di impatto permettono di ricavare la tenacità (energia assorbita in frattura) di un materiale.
Proprietà meccaniche: Prove di fatica
Le prove di fatica studiano il comportamento meccanico di materiali soggetti a cicli di carico al di sotto del limite di rottura.
La resistenza a fatica viene ricavata testando il materiale fino a rottura sotto carichi differenti, denotandone per ogni carico il numero di cicli necessari alla frattura.
