Materiali: proprietà meccaniche

I materiali in genere quando sono utilizzati sono soggetti a forze: mentre gli ingegneri calcolano tali forze, il loro punto di applicazione, la loro composizione ecc., i chimici studiano come i vari materiali si deformano o si rompono in funzione delle sollecitazioni applicate, del tempo, della temperatura testando i materiali ed eventualmente creandone di nuovi cosa che peraltro fu fatta dai nostri avi quando crearono il bronzo.

Per confrontare campioni di diverse dimensioni, il carico è calcolato per area unitaria. Si definisce stress il rapporto tra forza e superficie. Nei test di tensione e compressione la forza e l’area sono tra loro perpendicolari mentre nelle prove di taglio o di torsione l’area è perpendicolare all’asse di rotazione. L’unità di misura che è usata è il Megapascal = 10⁶Newton/m².

A seguito di una sollecitazione (stress) relativa a trazione o compressione si verifica una variazione nelle dimensioni che chiamiamo DL. Viene definita deformazione ( strain) e si indica con la lettera ε il rapporto tra DL e la lunghezza originaria del materiale: ε = DL/L.

Per sollecitazioni di torsione o di taglio si verifica una deformazione relativa ad un angolo detto di torsione θ e la deformazione di taglio è data da:

γ= tg θ

Comportamento stress-strain

Deformazione elastica. Se quando  la sollecitazione è rimossa il materiale ritorna alle dimensioni iniziali ci si trova in presenza di una deformazione elastica ; ovviamente tale comportamento si verifica nei materiali, ad eccezione delle gomme per piccole sollecitazioni pertanto la deformazione è reversibile e non permanente.

Deformazione plastica. Se quando la sollecitazione è rimossa il materiale non ritorna alle sue dimensioni iniziali ci si trova in presenza di una deformazione plastica che quindi è una deformazione permanente e irreversibile.

Nelle prove di trazione (tensile tests) che consistono nel sottoporre un provino a una deformazione a velocità costante mediante l’azione di un carico unidirezionale applicato perpendicolarmente alla sezione del provino se la deformazione è elastica, la relazione stress-strain è di tipo lineare e rispetta la legge di Hooke:

σ = E ε

in cui la costante di proporzionalità E è detto modulo di elasticità o modulo di Young. In alcuni casi la relazione non è di tipo lineare ed E viene definita come E = dσ/ dε.

Sforzi di taglio producono deformazioni secondo la relazione: τ = Gγ dove G è il modulo di taglio. Un modulo di Young relativamente piccolo indica che il materiale richiede uno sforzo di modesta entita’ per ottenere una unita’ di deformazione quindi il materiale e’ flessibile. Un modulo grande significa sforzo di notevole entita’per ottenere una unita’ di deformazione quindi  il materiale e’rigido.

Anelasticità. Il comportamento anelastico si verifica sia nei materiali comunemente considerati plastici sia in quelli cosiddetti elastici, ma al di sopra di un certo valore massimo di carico.

Proprietà elastiche dei materiali. I materiali sottoposti a sollecitazione monodirezionale longitudinale si restringono o si dilatano trasversalmente e il rapporto tra la deformazione trasversale e la deformazione longitudinale è definito come modulo di Poisson:

ν = ε_trasv/ ε_long

che è quindi un numero puro. Esso è correlato al modulo di elasticità dalla relazione E = 2 G(ν +1)

Proprietà di trazione

Limite di snervamento. Fissato un provino in posizione verticale è applicata una forza e un estensimetro misura l’allungamento del materiale. Nella prima fase si ha una deformazione del materiale di tipo reversibile il che implica che, ripristinando le condizioni iniziali il materiale ritorna alle sue dimensioni: ci troviamo cioè dinanzi a un comportamento elastico. Nel corso di questa fase gli allungamenti sono proporzionali ai carichi e in questa fase è valida la legge di Hooke.

Aumentando la sollecitazione si arriva a un punto in cui il comportamento non è più lineare tale fase viene detta snervamento che corrisponde a un comportamento plastico ovvero le deformazioni, anche azzerando il carico risultano permanenti. Continuando la prova si verifica una deformazione localizzata nel provino per cui una piccola parte dello stesso diminuisce l’area della sua sezione. Tale fase è detta strizione. All’aumentare della sollecitazione si raggiunge il punto di rottura che avviene in corrispondenza del carico di rottura.

Duttilità. Indica la capacità di un materiale di deformarsi plasticamente prima di giungere alla rottura.  Un materiale è dunque tanto più duttile quanto maggiore è la deformazione plastica raggiunta prima della rottura. Proprietà opposta alla duttilità è la fragilità, ovvero l’incapacità di deformarsi sotto carico e giungere ad improvvisa rottura.

Resilienza. Indica la resistenza che un materiale a sollecitazioni dinamiche. Molti materiali, infatti, resistono bene a carichi statici ma hanno scarsa resistenza a sforzi applicati bruscamente come gli urti. La resilienza, insieme alla resistenza alla trazione è un indice della tenacità di un materiale.

Tenacità. Indica la capacità di un materiale di assorbire energia  prima di fratturarsi spendendola nella sua deformazione.