Che cos’è la resistenza allo snervamento?
Questo aspetto è fondamentale nell’ingegneria dei materiali e nella progettazione strutturale. La resistenza allo snervamento dei materiali è fondamentale per evitare deformazioni e cedimenti sotto carico. Applicazioni ingegneristiche come l’edilizia, la progettazione aeronautica e l’ingegneria automobilistica utilizzano la resistenza allo snervamento per garantire che i componenti possano resistere in modo sicuro ai carichi e alle sollecitazioni nel tempo.
La formula della resistenza allo snervamento
La forza applicata a un materiale e la sua area trasversale determinano la sua resistenza allo snervamento mediante una semplice formula. Si esprime come.
Dove:
- –σ_Y = Resistenza allo snervamento (misurata in Pascal, Pa, o Megapascal, MPa)
- –F = Forza applicata (misurata in Newton, N)
- –A = Area della sezione trasversale del materiale (misurata in metri quadrati, m²)
Il limite di snervamento è solitamente indicato in Pascal (Pa) o Megapascal (MPa), dove 1 MPa equivale a 1 milione di Pascal. Questa semplice formula indica la tensione che un materiale può sopportare prima di deformarsi plasticamente.
Ad esempio, se un tondino d’acciaio con una sezione trasversale di 10 mm² è sottoposto a una forza di 1000 N, la resistenza allo snervamento può essere calcolata come:
Questo valore indica una resistenza allo snervamento dell’acciaio di 100 MPa. Se la sollecitazione supera questa soglia, l’acciaio si deforma in modo permanente.
Quali sono i fattori che influenzano il carico di snervamento?
Il limite di snervamento di un materiale è determinato da una serie di fattori.
Composizione del materiale
La resistenza allo snervamento di un materiale è fortemente influenzata dalla sua composizione chimica. L’acciaio, ad esempio, ha un carico di snervamento superiore a quello dell’alluminio grazie alla presenza di carbonio e di altri componenti di lega che ne aumentano la resistenza.
Temperatura
All’aumentare della temperatura, la resistenza allo snervamento spesso diminuisce. I metalli utilizzati in applicazioni ad alta temperatura, come i motori o le centrali elettriche, possono deteriorarsi alle alte temperature, pur avendo prestazioni adeguate a temperatura ambiente.
Lavorazione e trattamento
Struttura della grana
Anche la dimensione e l’orientamento dei grani cristallini di un materiale possono influenzare la resistenza allo snervamento. I grani più fini hanno una maggiore resistenza allo snervamento grazie al rafforzamento dei confini dei grani.
La curva sforzo-deformazione e il limite di snervamento
Per capire meglio come funziona il carico di snervamento nel mondo reale, si consideri la curva sforzo-deformazione. La curva sforzo-deformazione descrive la risposta di un materiale alle sollecitazioni applicate. Offre informazioni fondamentali sul comportamento del materiale sotto sforzo, come l’elasticità, la plasticità e il punto di rottura.
La curva sforzo-deformazione può essere suddivisa in diverse regioni chiave.
Regione elastica
In questa regione, il materiale si comporta in modo elastico, il che implica che la deformazione è proporzionale alla sollecitazione applicata. Se il materiale viene scaricato durante questo periodo, riprenderà la sua forma precedente. La connessione sforzo-deformazione in questa fase è lineare e la pendenza di questa linea è nota come modulo di elasticità (modulo di Young).
Punto di rendimento
È il momento chiave in cui il materiale passa dalla deformazione elastica a quella plastica. Quando si raggiunge il punto di snervamento, il materiale inizia a deformarsi in modo irreversibile. Questo è il momento in cui si determina il **carico di snervamento** del materiale. Alcuni materiali, come l’acciaio dolce, possono presentare un **piano di snervamento**, in cui il materiale rimane a un livello di sollecitazione costante per un periodo di tempo prolungato prima che inizi un’ulteriore deformazione.
Regione plastica
Dopo aver raggiunto il punto di snervamento, il materiale entra nella regione plastica e si deforma in modo irreversibile. Le sollecitazioni e le deformazioni non sono più collegate linearmente e il materiale presenta una **deformazione plastica** che non si ripristina quando il carico viene rimosso.
Resistenza alla trazione (UTS)
Si tratta della massima sollecitazione che il materiale può sostenere prima di cedere. In seguito a questa fase, il materiale inizia di solito a deformarsi e infine a rompersi.
Punto di frattura
Il punto in cui il materiale si rompe o si frattura. È la fine della curva sforzo-deformazione.
| Regione | Descrizione |
|---|---|
| Regione elastica | Relazione lineare; ritorno alla forma originale |
| Punto di rendimento | Transizione dal comportamento elastico a quello plastico |
| Regione plastica | Si verifica una deformazione permanente |
| Resistenza alla trazione finale | Sollecitazione massima prima del cedimento |
| Punto di frattura | Punto di rottura del materiale |
Come testare e misurare la resistenza allo snervamento?
La prova di trazione è il metodo più frequente per determinare il limite di snervamento di un materiale. In questo test, una forza crescente viene applicata a un campione del materiale finché questo non si deforma. I dati vengono utilizzati per produrre la curva sforzo-deformazione e il limite di snervamento viene calcolato quando il materiale passa dal comportamento elastico a quello plastico.
Altre tecniche per determinare il carico di snervamento includono le **prove di durezza** (come la durezza Brinell o Rockwell), che possono fornire stime approssimative del carico di snervamento in base alla resistenza all’indentazione del materiale. Le prove di trazione, invece, continuano a essere l’approccio più accurato e popolare.
Qual è l’importanza del carico di snervamento in ingegneria?
La resistenza allo snervamento è importante in ingegneria per una serie di motivi.
- –Selezione del materiale: gli ingegneri devono selezionare materiali con carichi di snervamento accettabili per applicazioni specifiche, per garantire sicurezza e funzionalità.
- –Integrità strutturale: la conoscenza del limite di snervamento consente agli ingegneri di progettare strutture in grado di sopportare i carichi previsti senza subire deformazioni permanenti.
- –
: Molte aziende hanno requisiti che richiedono che i materiali abbiano particolari carichi di snervamento per garantire la sicurezza e l’affidabilità.
Resistenza allo snervamento in diversi materiali
Il carico di snervamento varia notevolmente tra i materiali e la scelta del materiale più adatto per un’applicazione è largamente influenzata dal carico di snervamento e dalle prestazioni in determinate condizioni.
- Metalli: I metalli con elevati carichi di snervamento, come l’acciaio, il titanio e l’alluminio, sono ampiamente utilizzati. Ad esempio:
- –
può variare da 250 MPa per l’acciaio dolce a oltre 2000 MPa per le leghe di acciaio ad alta resistenza. - –
è noto per il suo elevato rapporto resistenza/peso, con una resistenza allo snervamento di circa 900 MPa. - –
- –
- Polimeri: Materiali come le plastiche e le gomme hanno carichi di snervamento molto più bassi dei metalli. Tuttavia, la loro adattabilità e tolleranza alle variabili ambientali li rende perfetti per una serie di usi. Ad esempio, il **policarbonato** ha una resistenza allo snervamento di circa 60 MPa, mentre il **PVC** può arrivare a 50 MPa.
- Compositi: Pur essendo leggeri, i compositi in fibra di carbonio e in fibra di vetro hanno elevati carichi di snervamento. In particolare, i compositi in fibra di carbonio possono raggiungere carichi di snervamento superiori a 1000 MPa, il che li rende perfetti per i veicoli ad alte prestazioni e aerospaziali.
Quali sono le applicazioni della resistenza allo snervamento
In molte discipline ingegneristiche diverse, la resistenza allo snervamento dei materiali è fondamentale per garantire che funzionino come previsto, senza guasti.
Ingegneria strutturale
La scelta dei materiali per componenti edilizi come travi, colonne e armature dipende in larga misura dalla resistenza allo snervamento. L’acciaio strutturale e il calcestruzzo armato sono progettati per resistere a carichi e sollecitazioni importanti senza subire deformazioni permanenti.
Industria automobilistica e aerospaziale
La progettazione di componenti di aeroplani, parti di motori e telai di automobili richiede una resistenza allo snervamento, poiché sono tipici i carichi elevati e i possibili impatti. Per questi impieghi vengono spesso scelti l’acciaio ad alta resistenza, il titanio e la fibra di carbonio.
Produzione ed elettronica
I materiali con un’adeguata resistenza allo snervamento sono utilizzati nella produzione di strumenti, apparecchiature e microelettronica. Mentre gli **strumenti chirurgici** o le **parti di aerei** necessitano di materiali con una resistenza significativamente maggiore, i componenti degli **smartphone** o dei **laptops** possono essere creati da metalli con una resistenza allo snervamento ridotta.
Conclusione
Gli ingegneri e i progettisti che lavorano con materiali diversi devono conoscere la resistenza allo snervamento. Determina la quantità di sollecitazioni che un materiale può sopportare prima di subire una deformazione irreversibile, garantendo la sicurezza tecnica e il funzionamento. Le formule e le curve sforzo-deformazione aiutano gli esperti a scegliere i materiali e a garantire l’integrità strutturale.
