Resistenza allo snervamento: Nozioni di base ed esempi

Introduzione

Quando pensiamo alla resistenza dei materiali - che si tratti dell'acciaio utilizzato in un edificio, dell'alluminio per un aereo o del rame in un cavo - la prima cosa che ci viene in mente è il carico di snervamento. È una delle proprietà meccaniche più importanti che gli ingegneri considerano quando progettano qualcosa che deve resistere ai carichi senza piegarsi o cedere. In parole povere, il limite di snervamento indica il punto in cui un materiale non si deforma più elasticamente (ritorna alla forma iniziale) ma inizia a deformarsi in modo permanente. Questa proprietà garantisce che i ponti non si affloscino, che le ali degli aerei non si deformino e che le apparecchiature non si pieghino sotto sforzo.

Nozioni di base sulla resistenza allo snervamento

Che cos'è la resistenza allo snervamento?

Laresistenza allo snervamento è la quantità di sollecitazioni a cui un materiale può resistere prima di iniziare a deformarsi in modo permanente. Fino a questo momento, il materiale si comporta in modo elastico: quando il carico viene rimosso, torna alla sua forma originale. Ma una volta superato il punto di snervamento, la deformazione è plastica e il materiale non recupera completamente la sua forma nemmeno quando il carico viene rimosso.

Nella scienza e nell'ingegneria dei materiali, la resistenza allo snervamento è un parametro di progettazione molto importante. Le strutture e le parti sono progettate per essere molto al di sotto di questo valore, dove possono essere utilizzate per l'affidabilità e la sicurezza a lungo termine.

Resistenza allo snervamento e resistenza alla trazione

Si è tentati di equiparare la resistenza allo snervamento con la resistenza alla trazione, ma i due termini sono utilizzati per descrivere due fasi diverse del comportamento dei materiali.

- Il carico di snervamento è l'inizio della deformazione plastica, il punto in cui il materiale inizia a cambiare forma in modo permanente.

- La resistenza alla trazione, invece, è la sollecitazione massima che il materiale può sopportare quando viene allungato prima di cedere.

Ad esempio, un campione di acciaio potrebbe iniziare a cedere a 300 MPa ma fratturarsi solo a 600 MPa. Gli ingegneri possono fare previsioni su come si comporteranno i materiali quando sono soggetti a carichi diversi - elastici, plastici e infine di rottura - se conoscono entrambi i valori.

Deformazione elastica e plastica

Per comprendere meglio il carico di snervamento, è utile immaginare come si deformano i materiali. Al di sotto della regione elastica, gli atomi si spostano temporaneamente dalla loro posizione iniziale, ma rimbalzano quando il carico viene rilasciato - come un elastico. Oltre il punto di snervamento si trova la regione plastica, dove i legami atomici si riformano o le dislocazioni si spostano all'interno della struttura cristallina. Dopo l'ingresso in questa regione, la deformazione non può essere invertita - piegando una graffetta in modo che rimanga piegata.

Curva sforzo-deformazione e diagramma della resistenza allo snervamento

La curva sforzo-deformazione è la rappresentazione più generale del comportamento dei materiali in tensione. La curva inizia come una linea retta, che rappresenta la deformazione elastica. Il modulo di elasticità è il nome dato alla pendenza di questa linea. Il punto di rendimento è il luogo in cui inizia la deviazione dalla linearità.

Per alcuni materiali, questo massimo è facilmente riconoscibile. Per altri, i progettisti utilizzano un metodo di offset (generalmente lo 0,2% di deformazione) per stabilire correttamente la resistenza allo snervamento. Questa curva non solo ci dice dove avviene lo snervamento, ma fornisce molte informazioni su tenacità, duttilità e resistenza ultima.

Fattori che influenzano il carico di snervamento

Composizione del materiale

La composizione chimica di un materiale influenza notevolmente la sua resistenza allo snervamento. L'inclusione di elementi rinforzanti, ad esempio l'aggiunta di carbonio al ferro per produrre acciaio o di titanio all'alluminio, indurisce notevolmente il materiale. Gli elementi introdotti sigillano il movimento delle dislocazioni all'interno della struttura cristallina, rendendo il materiale più difficile da deformare.

La temperatura

Anche la temperatura gioca un ruolo importante. Con l'aumento della temperatura, l'energia viene trasferita agli atomi, che possono muoversi liberamente, diminuendo la resistenza allo snervamento del materiale. Per questo motivo, i metalli diventano morbidi quando vengono riscaldati e si induriscono quando vengono raffreddati. Per le applicazioni ad alta temperatura, si utilizzano materiali a snervamento costante, come le leghe di titanio.

Processi di produzione

Metodi di lavorazione come la forgiatura, la laminazione, la lavorazione a freddo e il trattamento termico hanno la capacità di alterare in modo sostanziale la microstruttura di un materiale. Ad esempio, la lavorazione a freddo produce dislocazioni che contribuiscono alla resistenza allo snervamento attraverso l'indurimento da deformazione, mentre il trattamento termico può ridurre la dimensione dei grani e aumentare l'uniformità.

Misurazione della resistenza allo snervamento

La resistenza allo snervamento viene solitamente misurata con una prova di trazione. Nella prova, un provino viene tirato lentamente e vengono registrate sia la sollecitazione che la deformazione. La curva sforzo-deformazione risultante consente agli ingegneri di determinare il punto di snervamento.

È una prova standardizzata: i provini vengono creati con dimensioni esatte, tirati a velocità controllata e visualizzati con precisione. Si tratta di informazioni critiche necessarie per qualificare i materiali per l'edilizia, il settore aerospaziale, l'industria automobilistica e altri settori legati alla sicurezza.

Applicazioni della resistenza allo snervamento

La resistenza allo snervamento non è un risultato di un test, ma un concetto di progettazione nel mondo reale.

-Costruzioni: L'acciaio e il cemento armato sono realizzati per rimanere al di sotto della loro resistenza allo snervamento durante il carico massimo, in modo che gli edifici e i ponti siano sicuri e duraturi.

-Automobile: I telai e i componenti automobilistici devono resistere a vibrazioni, urti e sollecitazioni ripetute senza subire deformazioni permanenti.

-Aerospaziale: I materiali aeronautici, in genere leghe di alluminio o titanio, devono mantenere la loro resistenza ad altitudini e temperature elevate.

- Elettronica: Anche i piccoli componenti come i connettori o le molle si affidano alla resistenza allo snervamento per mantenere la forma e la pressione di contatto nel tempo.

Tabella comparativa dei materiali più comuni

Questi valori indicano la gamma di resistenze dei materiali tipici dell'ingegneria. Il titanio vanta un elevato rapporto resistenza/peso, mentre l'acciaio gode di un equilibrio costante tra costo, resistenza e duttilità.

Per ulteriori informazioni sui materiali e sui materiali tecnici, consultare il sito Stanford Advanced Materials (SAM).

Conclusioni

In generale, il limite di snervamento è molto più di un pezzo di matematica meccanica: è un'idea intrinseca che collega la scienza dei materiali e la progettazione ingegneristica. Dalla formazione delle ali degli aerei alla costruzione di grattacieli e alla produzione di microchip, sapere come e quando i materiali cedono aiuta le innovazioni a rimanere sicure e resistenti.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra resistenza allo snervamento e resistenza alla trazione?

La resistenza allo snervamento è l'inizio della deformazione permanente, mentre la resistenza alla trazione è il limite di frattura da sforzo.

Perché la resistenza allo snervamento è importante in ingegneria?

Perché garantisce che un componente possa resistere ai carichi applicati senza subire danni permanenti, cosa fondamentale per la sicurezza e le prestazioni.

Come si definisce il limite di snervamento?

Con una prova di trazione, in cui un provino viene allungato fino al punto in cui inizia a deformarsi plasticamente e viene registrata la sollecitazione associata.

La resistenza allo snervamento può essere migliorata.

Sì, la resistenza allo snervamento può essere migliorata mediante leghe, trattamenti termici, lavorazioni a freddo o altre alterazioni microstrutturali.

La temperatura ha un effetto sulla resistenza allo snervamento?

Sì. Le temperature più elevate tendono a ridurre la resistenza allo snervamento, mentre le temperature più basse la aumentano.