Resistenza meccanica dei materiali e prova di trazione statica

Resistenza Meccanica dei Materiali

La resistenza meccanica è la capacità dei materiali di resistere a forze
statiche esterne, tendenti a modificarne la forma e la dimensione.

La resistenza meccanica dei materiali ai vari tipi di sollecitazione statica può
essere misurata con prove specifiche: di trazione, di compressione, di
torsione, di flessione, di taglio, ecc.

La prova più importante è quella di trazione statica dalla quale si rilevano le
proprietà di resistenza, di deformabilità e di elasticità del materiale, cioè
tutte le proprietà mediante le quali si classificano, si designano e si scelgono
i materiali.

Infatti, la conoscenza detta resistenza a trazione di un materiale permette di
stabilire, mediante calcoli appropriati, anche i valori relativi agli altri tipi di
resistenza meccanica, senza dover ricorrere alle prove specifiche.

Le prove specifiche di compressione, di taglio, di flessione e di torsione
vengono eseguite solo in casi particolari; ad esempio, nel collaudo di pezzi
finiti.

Prova di Trazione Statica

La prova consiste nel sottoporre una provetta del materiale in esame ad un
carico di trazione applicato gradatamente e con continuità fino a provocarne
la rottura. Le variazioni di allungamento con l'aumentare del carico impresso
vengono registrate o per punti (e allora si ottiene una tabella) o in modo
continuo (e allora si ottiene un grafico).

Generalmente, un materiale sottoposto a trazione crescente manifesta
questi momenti o fasi differenti di allungamento:

• elasticità e proporzionalità
• sola elasticità (senza proporzionalità)
• elasticità e plasticità
• rotturacarichi
  elasto-plasticita
  elasticità
  plasticita
  allungamenti %

Fase di Elasticità e Proporzionalità

In una prima fase, quando il materiale è sottoposto ai primi carichi,
l'allungamento cresce proporzionalmente al carico impresso. Al cessare del
carico la provetta riacquista le dimensioni iniziali.

In questa fase, se si raddoppia o si triplica il carico, anche l'allungamento
raddoppia o triplica.

Se, ad esempio, aumentiamo il carico di una stessa quantità (es. 10 N alla
volta), l'allungamento aumenta sempre dello stesso valore (es. di 0,1 mm ad
ogni carico aggiunto). Se si toglie il carico non permane alcuna
deformazione.

Fase di Sola Elasticità

In una seconda fase, aumentando il carico, il materiale è ancora elastico,
cioè le deformazioni permanenti sono trascurabili rispetto a quelle elastiche.

In questa fase, non viene rispettata la legge di proporzionalità, cioè la
provetta si allunga di più, e in modo non più proporzionale al carico. Ad
esempio, aggiungendo altri 10 N di carico, in questa fase l'allungamento
cresce non più di 0,1 mm, ma di 0,2 mm, poi di 0,3 mm per altri 10 N, e così
via.

Se togliamo il carico non permane alcuna deformazione e la provetta
riassume la lunghezza primitiva.

Fase Elasto-Plastica

Oltre questo carico, la provetta comincia a subire delle deformazioni che
permangono, in parte, anche dopo aver eliminato il carico.Questa fase è detta di elasto - plasticità, perché il materiale presenta
deformazioni sia plastiche (permanenti), sia elastiche (che scompaiono).

Se togliamo il carico l'allungamento si riduce, ma la provetta non riassume le
dimensioni iniziali.

Si ha lo snervamento quando la deformazione della provetta aumenta per la
prima volta senza che il carico aumenti, oppure quando il carico
diminuisce. Il carico che provoca questo cedimento si chiama carico di
snervamento. Questo non compare nei materiali fragili come le ghise o gli
acciai duri (ad elevato tenore di carbonio), i quali arrivano a rottura sotto un
carico determinato senza passare attraverso lo snervamento.

Il carico di snervamento caratterizza l'inizio della fase plastica che precede
la rottura della provetta.

Fase di Rottura

Dopo lo snervamento se aumentiamo ancora il carico la provetta continua a
deformarsi plasticamente fino all'improvvisa rottura.

In questa fase, nella zona di rottura della provetta, la sezione si stringe
visibilmente, presenta il cosiddetto fenomeno della strizione.

In generale la rottura non coincide con il carico massimo. Infatti, la provetta,
prima di rompersi, si allunga anche se il carico diminuisce.

Provette Unificate

A
B
op
Lo
Lo
bo
1Le provette per la prova di trazione sono costituite da una parte cilindrica o
prismatica (detta « tratto utile ») sulla quale deve essere misurato
l'allungamento, raccordata alle estremità a due teste di forma
opportuna che vengono afferrate dagli organi di presa della macchina.

Le teste possono avere qualunque forma appropriata ai dispositivi di
serraggio della macchina di prova.

L'esperienza ha dimostrato che i risultati della prova sono influenzati
sensibilmente dalle dimensioni della provetta.

Per questo le norme UNI (Unificazione Nazionale Italiana) prescrivono il
modo di prelevamento, la forma, le dimensioni e la preparazione delle
provette al fine di ottenere valori attendibili, ripetibili e confrontabili.

In figura sono rappresentate due tipiche provette per la prova di trazione;
una a sezione circolare (A) e una a sezione rettangolare. Il tratto utile per la
misurazione degli allungamenti è compreso tra due trattini, che all'inizio
della prova si trovano ad una distanza L0 che varia a seconda del tipo di
provetta.

La sezione della provetta è un dato che deve essere conosciuto con
precisione perché serve a determinare i carichi unitari che caratterizzano la
resistenza del materiale.

Diagramma della Prova di Trazione

carichi
Fm
Fu
Fs
Fp
allungamenti %
Durante la prova di trazione, l'apparato registratore della macchina traccia
un diagramma carichi - allungamenti il cui andamento è caratteristico per
ciascun materiale.Il diagramma può essere costruito per punti, trascrivendo su una tabella i
valori dei carichi e dei corrispondenti allungamenti.

In figura è rappresentato il diagramma di un acciaio dolce (a basso tenore di
carbonio), cioè di un materiale duttile.

Da questo diagramma si rilevano i seguenti carichi caratteristici:

• Fp = carico di scostamento dalla proporzionalità
• Fs = carico di snervamento
• Fm = carico massimo
• Fu = carico ultimo

Esempi di Diagrammi di Materiali Diversi

-
carichi
E
D
C
B
A
allungamenti %
Nella figura sono rappresentati i diagrammi di vari materiali, sottoposti alla
prova di trazione.

• A Rame
• B Ghisa
• C Acciaio a basso tenore di carbonio
• D Acciaio ad alto tenore di carbonio
• E Acciaio bonificato

Sì noti che nella ghisa, nel rame e nell'acciaio bonificato (materiali fragili)
non compare la fase di snervamento.

Carico di Scostamento dalla Proporzionalità FP

Rappresenta il valore di carico "sotto il quale" si verifica un allungamento
elastico e plastico non proporzionale.

Il carico di scostamento dalla proporzionalità è il carico massimo sotto il
quale il materiale subisce piccole deformazioni, che comunque vengono
annullate se eliminiamo la forza che le provoca. Superato questo valore, le
deformazioni, anche se elastiche, non sono più proporzionali ai carichi.

Carico di Snervamento FS

Rappresenta il massimo valore di carico sotto il quale il materiale della
provetta continua ad allungarsi, anche se il carico stesso non aumenta
ulteriormente o diminuisce.

Il carico unitario di snervamento è ottenuto dividendo il carico di
snervamento per la sezione iniziale: Os = Fs/So

Le deformazioni che il materiale subisce possono essere inammissibili per le
tolleranze dei pezzi. Per questo i progetti di molte strutture vengono eseguiti
considerando il carico di snervamento invece che quello massimo.

Carico Massimo Fm

Rappresenta il valore massimo del carico raggiunto durante la prova di
trazione condotta fino a termine.

Il carico massimo unitario è dato dal rapporto fra il carico massimo e la
sezione iniziale della provetta: Om = Fm/So

Macchina per le Prove di Trazione

X
C.G.1418
In figura è illustrata una macchina per le prove di trazione su provette
unificate.

In genere, le macchine per le prove di trazione sono di tipo universale, cioè
sono in grado di eseguire anche prove di flessione, compressione, taglio e
piegamento.

La macchina è costituita da una incastellatura che regge l'apparato di
trazione che funziona sul principio del torchio idraulico.

L'olio sotto pressione è inviato da una pompa ad un pistone che solleva una
traversa collegata agli organi di presa della provetta.

Il circuito oleodinamico contiene gli organi di regolazione sia della pressione
dell'olio che determina il carico, sia della velocità di aumento dei carico, sia
dei tempi di applicazione.

L'apparato misuratore è in genere costituito da un dinamometro a pendolo
che fornisce direttamente su un quadrante il valore del carico.

Apparato Registratore

Al dinamometro è collegato un dispositivo per la registrazione delle
deformazioni della provetta, al variare del carico, che fornisce direttamente il
grafico della prova.

Il dispositivo è costituito da un pennino scrivente, collegato al dinamometro,
che si sposta in modo proporzionale alla variazione del carico applicato alla
provetta.

Contemporaneamente, il cilindro, su cui è avvolto un foglio millimetrato,
ruota in modo proporzionale all'allungamento subito dalla provetta.

La rotazione è comandata da un estensimetro (meccanico o elettronico) che
registra e amplifica gli allungamenti.

Resistenza alla Fatica e all'Usura

L'esperienza insegna che un pezzo meccanico offre una certa resistenza se
viene sottoposto a un carico costante.

Presenta invece una resistenza minore se è sottoposto ad un carico di
intensità variabile nel tempo e ripetuto più volte.

Ad esempio, un tondino di ferro che sopporta una trazione costante di 100
kg, può invece spezzarsi in breve tempo se viene sottoposto ad un carico
che vari rapidamente e ripetutamente da un minimo di 0 ad un massimo di
50 kg.

Le sollecitazioni ripetute nel tempo producono una specie di affaticamento
del materiale.

Le rotture prodotte in questo modo sono denominate rotture per fatica.

Le rotture per fatica sono molto pericolose perché si verificano
istantaneamente, senza segni premonitori (allungamenti locali), anche se il
carico è inferiore al carico di rottura.