Le proprietà meccaniche sono essenziali per descrivere il comportamento di un materiale quando viene applicato un carico. Molti test, come quelli di tensione, compressione, impatto, flessione, taglio, torsione e durezza, sono sviluppati per osservare la risposta di un materiale ad una forza esterna applicata. Queste proprietà sono importanti per i progettisti per selezionare materiali appropriati per diverse applicazioni.
Che cos’è l’allungamento di un materiale?
L’allungamento è una misura della deformazione che si verifica prima che un materiale si rompa quando è sottoposto a un carico di trazione. Quando quest’ultimo viene applicato, si verifica un aumento della lunghezza e una riduzione uniforme della sezione trasversale, mentre il materiale mantiene un volume costante. L’allungamento dovuto all’espansione può verificarsi anche quando un materiale subisce un aumento di temperatura, o se una forza assiale e una temperatura elevata agiscono simultaneamente su un materiale.
Come si misura l’allungamento?
Misurare l’allungamento del materiale dovuto alla forza assiale viene solitamente effettuato con una prova standard di resistenza alla trazione. Una striscia o un’asta di una certa lunghezza e con una sezione trasversale uniforme, fissata a un’estremità, viene sottoposta a un carico di trazione lungo l’asse del provino. I segni del calibro sono tracciati sul provino quando è posto nelle morse della macchina di prova per definire la lunghezza del calibro. Il carico assiale viene aumentato in modo incrementale e l’allungamento viene osservato fino a quando il materiale si rompe meccanicamente o si frattura. Questa prova è solitamente normalizzata, realizzata a velocità di carico costante, ed è distruttiva. La lunghezza del calibro o la lunghezza di calibrazione deve essere abbastanza lunga per assicurare che lo sforzo di trazione sia trasmesso uniformemente.
Immagine 1 per riferimento. Fonte- https://www.admet.com/wp-content/uploads/2017/07/ductile-specimen-shape-during-testing.png
Una tipica progressione di una prova di trazione inizia con il provino situato in assenza di carico. All’applicazione iniziale del carico, si può osservare un allungamento uniforme e una riduzione dell’area della sezione trasversale. Questo continua fino al raggiungimento del carico massimo. A quel punto, si verifica il necking, causando la seguente deformazione a diventare non uniforme e ad avere luogo solo al collo. La sollecitazione reale locale continua ad aumentare man mano che l’area del collo diminuisce, fino a raggiungere la frattura.
La formula per l’allungamento a qualsiasi lunghezza L durante la prova di trazione è:
dove,
δ = allungamento, (in o mm)
L0 = lunghezza iniziale tra le tacche, (in o mm)
L = lunghezza tra i segni in qualsiasi punto durante l’allungamento uniforme, (in o mm)
Durante una prova di trazione, le letture del carico applicato e l’allungamento della lunghezza del calibro sono prese simultaneamente. Questi dati possono essere tracciati su un grafico chiamato curva sforzo-deformazione. La curva sforzo-deformazione è essenziale per comprendere le proprietà del materiale in quanto mostra la relazione di base tra la sollecitazione ingegneristica e la deformazione ingegneristica.
La formula per la sollecitazione ingegneristica, che mostra un’influenza del carico applicato sull’area trasversale originale, è:
dove,
σ = sollecitazione ingegneristica, (lb/sq. in o MPa)
P = carico applicato, (lb o N)
A0 = area trasversale originale, (sq. in o sq. mm)
La deformazione ingegneristica, d’altra parte, è misurata come il rapporto tra l’allungamento e la lunghezza del calibro:
dove,
ε = engineering strain, (senza unità)
δ = allungamento in qualsiasi punto durante lo stadio di allungamento uniforme, (in o mm)
L0 = lunghezza iniziale del calibro tra i segni (in o mm)
Cos’è l’allungamento percentuale?
Supponiamo di avere una barra che è stata sottoposta a una prova di resistenza alla trazione. Usando un estensimetro, possiamo misurare la lunghezza originale Lo e una lunghezza finale Lf dopo la rottura. Il rapporto tra la differenza tra la lunghezza finale e la lunghezza originale e la lunghezza originale stessa è noto come allungamento percentuale (%δ).
dove,
%δ = allungamento percentuale, (%)
Lf = lunghezza finale del provino, (in o mm)
Lo = lunghezza originale del provino, (in o mm)
Questa misura rappresenta una proprietà del materiale chiamata duttilità .
Perché calcolare l’allungamento del materiale?
Condurre una prova di trazione per determinare l’allungamento di diversi materiali è importante per valutare i loro possibili usi. Per esempio, i materiali con un alto allungamento – cioè una buona duttilità – sono critici nei componenti che richiedono l’assorbimento di energia per deformazione plastica, come le barriere e i paraurti.
Per i processi di fabbricazione, conoscere questa proprietà è essenziale per implementare le metriche di controllo della qualità.
Per gli ingegneri dei materiali e della produzione, tali proprietà sono studiate al fine di valutare la debolezza e i limiti del materiale per il miglioramento e l’esplorazione di alternative.