CHE COS'È LO SFORZO DI RESA E COME OTTENERLO? - FISICO - 2024

Lo sforzo di snervamento è definito come lo sforzo necessario affinché un oggetto inizi a deformarsi in modo permanente, cioè a subire una deformazione plastica senza rompersi o fratturarsi.

Poiché questo limite può essere un po 'impreciso per alcuni materiali e la precisione dell'attrezzatura utilizzata è un fattore di peso, in ingegneria è stato determinato che la tensione di snervamento in metalli come l'acciaio strutturale è quella che produce una deformazione permanente dello 0,2% in l'oggetto.

Figura 1. I materiali utilizzati nella costruzione vengono testati per determinare la quantità di stress che sono in grado di sopportare. Fonte: Pixabay.

Conoscere il valore della tensione di snervamento è importante per sapere se il materiale è appropriato per l'uso che si vuole dare alle parti prodotte con esso. Quando una parte è stata deformata oltre il limite elastico, potrebbe non essere in grado di svolgere correttamente la sua funzione prevista e deve essere sostituita.

Per ottenere questo valore si effettuano solitamente prove su provini realizzati con il materiale (provette o provini), i quali sono soggetti a varie sollecitazioni o carichi, misurando l'allungamento o lo stiramento che subiscono con ciascuno di essi. Questi test sono noti come test di trazione.

Per eseguire una prova di trazione, iniziare applicando una forza da zero e aumentare gradualmente il valore fino a quando il campione si rompe.

Curve di deformazione

Le coppie di dati ottenute dalla prova di trazione vengono tracciate posizionando il carico sull'asse verticale e la deformazione sull'asse orizzontale. Il risultato è un grafico come quello mostrato sotto (figura 2), chiamato curva sforzo-deformazione per il materiale.

Da esso vengono determinate molte importanti proprietà meccaniche. Ogni materiale ha la propria curva sforzo-deformazione. Ad esempio, uno dei più studiati è quello dell'acciaio strutturale, chiamato anche acciaio dolce oa basso tenore di carbonio. È un materiale ampiamente utilizzato nella costruzione.

La curva sforzo-deformazione ha aree distintive in cui il materiale ha un certo comportamento in base al carico applicato. La loro forma esatta può variare notevolmente, ma hanno comunque alcune caratteristiche in comune, che vengono descritte di seguito.

Per quanto segue vedere la figura 2, che corrisponde in termini molto generali all'acciaio strutturale.

Figura 2. Curva sforzo-deformazione per l'acciaio. Fonte: modificato da Hans Topo1993

Zona elastica

L'area da O ad A è l'area elastica, dove è valida la legge di Hooke, in cui lo stress e la deformazione sono proporzionali. In questa zona il materiale viene completamente recuperato dopo l'applicazione dello stress. Il punto A è noto come limite di proporzionalità.

In alcuni materiali la curva che va da O ad A non è una linea retta, ma sono comunque elastici. L'importante è che tornino alla loro forma originale quando la carica cessa.

Zona elastica-plastica

Successivamente abbiamo la regione da A a B, in cui la deformazione aumenta più rapidamente con lo sforzo, lasciando entrambi non proporzionali. La pendenza della curva diminuisce e in B diventa orizzontale.

Dal punto B il materiale non recupera più la sua forma originaria e il valore della tensione in quel punto è considerato essere quello della tensione di snervamento.

L'area da B a C è chiamata zona di resa o di scorrimento del materiale. Lì la deformazione continua anche se il carico non aumenta. Potrebbe anche diminuire, motivo per cui si dice che il materiale in queste condizioni sia perfettamente plastico.

Zona plastica e frattura

Nella regione da C a D si verifica uno strain hardening, in cui il materiale presenta alterazioni nella sua struttura a livello molecolare e atomico, che richiedono maggiori sforzi per ottenere deformazioni.

Per questo motivo, la curva sperimenta una crescita che termina al raggiungimento della massima sollecitazione σ _max.

Da D a E è ancora possibile la deformazione ma con meno carico. Nel campione (provino) si forma una sorta di assottigliamento chiamato stenosi, che alla fine porta alla frattura osservata nel punto E. Tuttavia, già al punto D il materiale può essere considerato rotto.

Come ottenere lo sforzo di rendimento?

Il limite elastico L _e di un materiale è la massima sollecitazione che può sopportare senza perdere elasticità. Viene calcolato dal quoziente tra l'ampiezza della forza massima F _m e l'area della sezione trasversale del campione A.

L _e = F _m / A

Le unità del limite elastico nel Sistema Internazionale sono N / m ² o Pa (Pascal) poiché è una sollecitazione. Il limite elastico e il limite di proporzionalità nel punto A sono valori molto vicini.

Ma come detto all'inizio, potrebbe non essere facile determinarli. La tensione di snervamento ottenuta attraverso la curva sforzo-deformazione è l'approssimazione pratica del limite elastico utilizzato in ingegneria.

Sforzo di snervamento dalla curva sforzo-deformazione

Per ottenerlo, viene tracciata una linea parallela alla linea che corrisponde alla zona elastica (quella che obbedisce alla legge di Hooke) ma spostata di circa lo 0,2% sulla scala orizzontale o 0,002 pollici per pollice di deformazione.

Questa linea si estende fino a intersecare la curva in un punto la cui coordinata verticale è il valore di tensione di snervamento desiderato, indicato come σ _y , come mostrato nella figura 3. Questa curva appartiene a un altro materiale duttile: l'alluminio.

Figura 3. Curva sforzo-deformazione per l'alluminio, dalla quale viene determinato in pratica lo sforzo di snervamento. Fonte: autocostruito.

Due materiali duttili come l'acciaio e l'alluminio hanno curve sforzo-deformazione differenti. L'alluminio, ad esempio, non ha la sezione approssimativamente orizzontale dell'acciaio vista nella sezione precedente.

Altri materiali considerati fragili come il vetro, non attraversano le fasi sopra descritte. La rottura si verifica molto prima che si verifichino deformazioni apprezzabili.

Dettagli importanti da tenere a mente

- Le forze considerate in linea di principio non tengono conto della modifica che indubbiamente si verifica nell'area della sezione trasversale del provino. Questo induce un piccolo errore che viene corretto rappresentando graficamente le tensioni reali, quelle che tengono conto della riduzione di area all'aumentare della deformazione del provino.

- Le temperature considerate sono normali. Alcuni materiali sono duttili a basse temperature, mentre altri fragili si comportano come duttili a temperature più elevate.

Riferimenti

1. Beer, F. 2010. Meccanica dei materiali. McGraw Hill. 5 °. Edizione. 47-57.
2. Engineers Edge. Forza di rendimento. Estratto da: engineeredge.com.
3. Stress da strisciamento. Estratto da: instron.com.ar
4. Valera Negrete, J. 2005. Note sulla fisica generale. UNAM. 101-103.
5. Wikipedia. Creep. Estratto da: Wikipedia.com