La selezione dei materiali e la prova di trazione

Materiali dei componenti meccanici e la prova di trazione

La selezione dei materiali e dei processi utilizzati nella fabbricazione fanno integralmente parte del design di qualsiasi componente meccanica. I fattori tradizionalmente più importanti nella scelta di un materiale sono la sua Resistenza e la sua Rigidezza. Parimenti importanti saranno la relativa affidabilità e la durata della parte meccanica quando venga costruita con materiali alternativi.

Se il componente dovrà funzionare a temperature estreme, molto alte o molto basse, questo dovrà naturalmente essere considerato con attenzione nella scelta del materiale. Recentemente, inoltre, la scelta dei materiali è sempre più influenzata da criteri quali la riciclabilità, il fabbisogno energetico e l’inquinamento prodotto.

Altri fattori critici sono il costo e la disponibilità. Il costo che dovrà essere considerato è il costo totale della parte meccanica che includerà, oltre al materiale stesso, anche la manodopera e le spese generali. Il costo e la disponibilità dei vari materiali variano nel tempo, dunque il progettista è spesso chiamato a valutare materiali alternativi, in conseguenza di variate condizioni del mercato. In sintesi, il miglior materiale per una particolare applicazione è quello che offre il miglior rapporto tra prestazioni complessive e costo totale.

La vita utile della maggior parte delle macchine e dei loro componenti strutturali si conclude con il cedimento per fatica o per il deterioramento delle superfici. Un importante database delle proprietà dei vari materiali è disponibile online. Il database include informazioni su acciaio, alluminio, titanio, leghe di zinco, superleghe, ceramica, materiali termoplastici e polimeri termoindurenti. Il database è costituito dai datasheet e dalle schede tecniche fornite da produttori e distributori. Il sito Web permette la ricerca nel database secondo due principali criteri: ottenere dati e proprietà per uno specifico materiale; opuure ricercare i materiali che soddisfano i requisiti e le proprietà selezionate.

Un altro sito interessante è Machine Design che offre informazioni generali su plastica, materiali compositi, elastomeri, metalli non ferrosi, metalli ferrosi e ceramiche.

La prova di trazione

La prova di trazione standard costituisce il test di base per stabilire la rigidezza e la resistenza di un certo materiale, da cui si ottengono le curve stress-strain (tensione-deformazione) come quella rappresentata in figura 1.

Curva tensione-deformazione nominali (bibliografia citata)
Figura 1. Curva tensione-deformazione nominali (bibliografia citata)

I valori di stress e strain utilizzati nel grafico sono valori nominali, definiti come:

    \[\sigma = \frac{P}{A_{0}}\]

dove P è il carico e A0 è la sezione iniziale scaricata;

    \[\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_{0}}\]

dove \Delta L è la variazione della lunghezza causato dal carico e L_{0} è la lunghezza originale senza carico.

Qui la convenzione è che la lettera greca \sigma denota lo sforzo normale, che è funzione dei carichi applicati; S invece (con vari pedici) indica le proprietà di resistenza del materiale.

Ad esempio, nella figura 1, si vede che quando \sigma = = 39 ksi (Kilopounds per square inch), il materiale comincia a cedere. Quindi, Sy = 39 ksi. Analogamente, il massimo carico che può sopportare l’esemplare di prova corrisponde ad una tensione nominale di ksi 66. Quindi, Su = 66 ksi.

Carico massimo e modulo di Young
Tabella tratta da Wikipedia

Inoltre, S (con gli opportuni pedici) viene utilizzata per tutti le proprietà di resistenza, comprese quelle per torsione o al taglio; la lettera \sigma invece viene utilizzata solo per sollecitazioni normali cioè causate da carichi di trazione, compressione o flessione. Le tensioni di taglio, sono indicate con la lettera greca \tau.

Sempre dalla figura 1, si possono notare altre proprietà meccaniche indicate sulla curva tensione-deformazione. Il punto A, ad esempio, rappresenta il limite elastico, Se. È lo stress più alto al quale il materiale è in grado di resistere se si vuole che esso ritorni esattamente alla sua lunghezza originale una volta scaricato.

Se il materiale viene caricato oltre il punto A, esso esibisce una deformazione parzialmente plastica. Per la maggior parte dei materiali, il punto A costituisce approssimativamente il limite di proporzionalità, definito come lo stress per cui la curva tensione-deformazione devia da una linea retta. Al di sotto del limite di proporzionalità, si applica la legge di Hooke. Nella zona lineare, la costante di proporzionalità tra tensione e deformazione, ovvero la pendenza della curva tra l’origine e il limite di proporzionalità è il modulo di elasticità o modulo di Young, E.

In alcuni materiali, una leggera deviazione dalla linearità si verifica già tra l’origine ed il punto A, oltre il quale la deviazione comincia a diventare più evidente. Per questi materiali non esiste un vero limite proporzionale, né è possibile definire il modulo di elasticità. Il valore del modulo di elasticità, infatti, per tali materiali dipende dalla porzione di curva utilizzata per misurare la pendenza.

Il punto B nella figura rappresenta la resistenza di snervamento, Sy. È il valore della tensione alla quale si comincia ad osservare una significativa deformazione. In alcuni materiali duttili, questa deformazione si verifica bruscamente ad un ben definito valore di tensione. In altri, questo avviene gradualmente e la tensione di snervamento per questi materiali si determina in modo convenzionale con il “metodo offset”. Come in figura 1, viene tracciaya una linea parallela al tratto lineare e passante per il punto che corrisponde ad una deformazione arbitraria pari allo 0,2 per cento. Il punto B indicato quindi è il carico di snervamento del materiale che corrisponde ad una deformazione dello 0,2%. Se, raggiunto il punto B, il carico viene rimosso, il campione esibisce un allungamento permanente pari allo 0,2 per cento. La misura della resistenza allo snervamento, corrispondente a un offset specificato (molto piccolo), è una pratica standard di laboratorio, non altrettanto si può dire del limite di proporzionalità.

Bibliografia: Fundamentals of Machine Component Design, ROBERT C. JUVINALL-KURT M. MARSHEK, Wiley