Proprietà meccaniche
Proprietà dei materiali
Proprietà meccaniche
Tutti i materiali sono soggetti a sollecitazioni (forze) di varia natura
che ne determinano deformazioni macroscopiche.
Spesso le proprietà meccaniche sono il fattore più importante
che determina le potenziali applicazioni di un materiale.
Le proprietà meccaniche sono strettamente collegate alla natura
dei legami, disposizione degli atomi e microstruttura dei materiali.
Proprietà meccaniche
Le proprietà meccaniche di un materiale si determinano con prove
di laboratorio che riproducono le condizioni di esercizio.
Le proprietà meccaniche si differenziano in base alla sollecitazione
applicata. Il carico applicato può essere:

Trazione

Flessione

Compressione

Taglio

Torsione
Dipendenza dal tempo. Rispetto al tempo la distribuzione della
sollecitazione applicata può essere:

Istantanea
 Continua
 Alternata
Dipendenza dalle condizioni ambientali: temperatura, umidità….
Proprietà meccaniche
Proprietà meccaniche
Ogni oggetto sottoposto ad una forza meccanica si deforma.
Tale deformazione è dovuta a livello microscopico allo
spostamento degli atomi dalla loro posizione di equilibrio.
Ciò produce una forza uguale ed opposta che tende ad opporsi
alla deformazione ed a riportare il solido alla forma originale
quando la forza non è più applicata se la forza non ha provocato
la rottura o deformazione permanente.
Proprietà meccaniche: Prove di TRAZIONE
 Sono le prove più comunemente utilizzate
per determinare le proprietà meccaniche
quali modulo elastico, resistenza,
allungamento a rottura, tenacità.
 Si applica una deformazione controllata
ad un provino a osso di cane (una traversa è
fissa l’altra è mobile).
Si misura la risposta del campione in
termini di forza.
Proprietà meccaniche: Prove di TRAZIONE
Lo sforzo e la deformazione si calcolano da:
allungamento del provino
forza del provino
[N⋅m-2] sforzo (stress)
(adim.)
deformazione
(strain)
A
Provino
Proprietà meccaniche: Prove di TRAZIONE
Apparecchiatura
di prova
I materiali che si deformano meno
sono detti più rigidi.
La rigidità si apprezza
valutando il diagramma σ-ε
Proprietà meccaniche: Prove di TRAZIONE
Curva sforzo (σ) - deformazione (ε)
1.
2.
3.
4.
5.
Modulo elastico (rigidità - stiffness)
Carico di snervamento (yield strength)
Resistenza a trazione (tensile strength)
Deformazione a rottura (duttilità – rupture strength)
Tenacità
Proprietà meccaniche: Prove di TRAZIONE
Curva sforzo (σ) - deformazione (ε)
Comportamento elastico lineare – primo tratto della curva
σ
Modulo di Young
E
σ= E⋅ε
Legge di Hooke
ε
Proprietà meccaniche: Prove di TRAZIONE
Curva sforzo (σ) - deformazione (ε)
Comportamento elastico non lineare – primo tratto della curva
Proprietà meccaniche: Modulo elastico
E: ceramici > metalli > solidi ionici > polimeri
Proprietà meccaniche: Modulo elastico
Il modulo elastico E dipende dalla capacità dei legami atomici di deformarsi.
Durante la deformazione elastica i legami vengono allungati, ma non rotti.
Più è alta la forza di legame, maggiore è la rigidità del materiale.
Proprietà meccaniche: Carico di Snervamento
La resistenza allo snervamento divide la regione a comportamento
elastico dalla regione a comportamento plastico.
Si determina una deformazione permanente nel provino.
A volte questo valore non è facilmente
individuabile.
Il limite apparente di elasticità è definito
allo 0.2% di deformazione permanente.
Superato il carico di snervamento
vale una legge del tipo:
σ=kεn
Proprietà meccaniche: Fragilità e Duttilità
Raggiunto il limite della deformazione elastica, un materiale si può comportare
in due modi:

Il campione si rompe.

Il campione continua a deformarsi, e la deformazione resta
anche dopo che la forza agente viene annullata.
I due tipi di comportamento definiscono la fragilità e la duttilità di un campione.
Per i materiali fragili la duttilità è innescata in punti di difetti. I materiali fragili
resistono meglio a compressione dal momento che la compressione tende a chiudere
il difetto e non ad ampliarlo.
I materiali duttili hanno lo stesso comportamento in trazione ed in compressione.
Proprietà meccaniche: Fragilità
Nei materiali fragili, l’impossibilità degli atomi di scorrere provoca
la rottura catastrofica del materiale quando la forza applicata
supera la forza di legame.
La resistenza dovrebbe essere proporzionale al modulo elastico.
Ciò si verifica solo in parte, in quanto i materiali fragili sono sensibili alle
proprietà superficiali.
S: punto di frattura fragile
Proprietà meccaniche: Duttilità
Nei materiali duttili lo sforzo cresce fino ad arrivare ad un massimo.
Successivamente lo sforzo comincia a diminuire per effetto dello
scorrimento plastico.
Il valore massimo dello sforzo è detto resistenza a trazione o modulo di rottura.
La duttilità definisce la capacità del materiale di deformarsi (allungamento %)
prima della rottura: [(L-L0)/L0]⋅100
A: carico di snervamento
R: sforzo massimo di trazione
F: punto di frattura duttile
Nei materiali plastici la duttilità è legata
al movimento delle catene.
Nei materiali metallici la duttilità è legata
alle dislocazioni.
Proprietà meccaniche: Strizione
Quando la sezione del provino non si riduce in modo costante
si entra nel campo della strizione.
Rm: carico di rottura
Rs: carico di snervamento
Proprietà meccaniche: Tenacità
La tenacità è la capacità di un materiale di assorbire energia prima di rompersi.
La tenacità dipende da resistenza (modulo elastico) e duttilità.
Campione resistente (duro) ma
non tenace. La forza per romperlo
è alta, ma il materiale non si
allunga molto prima di rompersi.
Materiale fragile.
alta resistenza, bassa duttilità, bassa tenacità
media resistenza, media duttilità, alta tenacità
bassa resistenza, alta duttilità, bassa tenacità
Se un campione non si può deformare, l’energia non viene dissipata ed il campione si rompe.
Proprietà meccaniche: Prove di flessione
Per i materiali fragili si preferisce calcolare le proprietà di meccaniche
attraverso prove di flessione.
Nelle prove di trazione la notevole sensibilità dei materiali ai difetti
fa si che la rottura possa avvenire in corrispondenza dei morsetti di prova.
Nella prova a flessione l’assenza di ammorsaggi permetti di ottenere
risultati più significativi.
Proprietà meccaniche: Prove di durezza
La durezza si definisce come la resistenza di un materiale alla deformazione
plastica localizzata.
Per determinare la resistenza si usa un penetratore.
Dall’area o impronta del penetratore sulla superficie del materiale
se ne determina la durezza.
Durezza e resistenza a trazione sono confrontabili.
Proprietà meccaniche: Prove di impatto
 Nelle prove di impatto un provino viene portato a rottura sotto
l’urto di una massa in caduta libera pendolare.
Le prove di impatto permettono di ricavare la tenacità
(energia assorbita in frattura) di un materiale.
Proprietà meccaniche: Prove di fatica
 Le prove di fatica studiano il comportamento meccanico di materiali
soggetti a cicli di carico al di sotto del limite di rottura.
 La resistenza a fatica viene ricavata testando il materiale fino a rottura
sotto carichi differenti, denotandone per ogni carico il numero di cicli
necessari alla frattura.