La prova di resistenza alla trazione viene utilizzata principalmente per determinare la capacità dei materiali metallici di resistere ai danni durante il processo di stiramento ed è uno degli indicatori importanti per la valutazione delle proprietà meccaniche dei materiali.
1. Prova di trazione
La prova di trazione si basa sui principi fondamentali della meccanica dei materiali. Applicando un carico di trazione al campione di materiale in determinate condizioni, si provoca una deformazione fino alla rottura del campione. Durante la prova, vengono registrate la deformazione del campione sperimentale sotto diversi carichi e il carico massimo al momento della rottura, in modo da calcolare il limite di snervamento, la resistenza a trazione e altri indicatori di prestazione del materiale.
Sollecitazione σ = F/A
σ è la resistenza alla trazione (MPa)
F è il carico di trazione (N)
A è l'area della sezione trasversale del campione
2. Curva di trazione
Analisi delle diverse fasi del processo di stretching:
a. Nella fase OP con un carico piccolo, l'allungamento è in una relazione lineare con il carico e Fp è il carico massimo per mantenere la linea retta.
b. Dopo che il carico supera Fp, la curva di trazione inizia ad assumere una relazione non lineare. Il campione entra nella fase di deformazione iniziale e, una volta rimosso il carico, il campione può tornare al suo stato originale e deformarsi elasticamente.
c. Dopo che il carico supera Fe, il carico viene rimosso, parte della deformazione viene ripristinata e parte della deformazione residua viene mantenuta, il che è chiamato deformazione plastica. Fe è chiamato limite elastico.
d. Quando il carico aumenta ulteriormente, la curva di trazione mostra un andamento a dente di sega. Quando il carico non aumenta né diminuisce, il fenomeno di allungamento continuo del campione sperimentale è chiamato snervamento. Dopo lo snervamento, il campione inizia a subire un'evidente deformazione plastica.
e. Dopo lo snervamento, il campione mostra un aumento della resistenza alla deformazione, dell'incrudimento e del rinforzo per deformazione. Quando il carico raggiunge Fb, la stessa parte del campione si restringe bruscamente. Fb è il limite di resistenza.
f. Il fenomeno di ritiro porta a una diminuzione della capacità portante del campione. Quando il carico raggiunge Fk, il campione si rompe. Questo è chiamato carico di frattura.
Resistenza allo snervamento
Il limite di snervamento è il valore massimo di sforzo che un materiale metallico può sopportare dall'inizio della deformazione plastica alla frattura completa quando sottoposto a una forza esterna. Questo valore segna il punto critico in cui il materiale passa dalla fase di deformazione elastica a quella di deformazione plastica.
Classificazione
Limite di snervamento superiore: si riferisce alla sollecitazione massima del campione prima che la forza diminuisca per la prima volta quando si verifica lo snervamento.
Limite di snervamento inferiore: si riferisce alla sollecitazione minima nella fase di snervamento quando si ignora l'effetto transitorio iniziale. Poiché il valore del limite di snervamento inferiore è relativamente stabile, viene solitamente utilizzato come indicatore della resistenza del materiale, chiamato limite di snervamento o limite di snervamento.
Formula di calcolo
Per il limite di snervamento superiore: R = F / Sₒ, dove F è la forza massima prima che la forza diminuisca per la prima volta nella fase di snervamento e Sₒ è l'area della sezione trasversale originale del campione.
Per un limite di snervamento inferiore: R = F / Sₒ, dove F è la forza minima F ignorando l'effetto transitorio iniziale e Sₒ è l'area della sezione trasversale originale del campione.
Unità
L'unità di misura del limite di snervamento è solitamente MPa (megapascal) o N/mm² (Newton per millimetro quadrato).
Esempio
Prendiamo ad esempio l'acciaio a basso tenore di carbonio: il suo limite di snervamento è solitamente di 207 MPa. Se sottoposto a una forza esterna superiore a questo limite, l'acciaio a basso tenore di carbonio produrrà una deformazione permanente e non potrà essere ripristinato; se sottoposto a una forza esterna inferiore a questo limite, l'acciaio a basso tenore di carbonio può tornare al suo stato originale.
Il limite di snervamento è uno degli indicatori più importanti per la valutazione delle proprietà meccaniche dei materiali metallici. Riflette la capacità dei materiali di resistere alla deformazione plastica quando sottoposti a forze esterne.
Resistenza alla trazione
La resistenza alla trazione è la capacità di un materiale di resistere ai danni sotto carico di trazione, che è espressa specificamente come il valore massimo di sforzo che il materiale può sopportare durante il processo di trazione. Quando lo sforzo di trazione sul materiale supera il suo limite di resistenza alla trazione, il materiale subirà una deformazione plastica o una frattura.
Formula di calcolo
La formula di calcolo per la resistenza alla trazione (σt) è:
σt = F / A
Dove F è la massima forza di trazione (Newton, N) che il campione può sopportare prima di rompersi, e A è l'area della sezione trasversale originale del campione (millimetro quadrato, mm²).
Unità
L'unità di misura della resistenza alla trazione è solitamente MPa (megapascal) o N/mm² (Newton per millimetro quadrato). 1 MPa equivale a 1.000.000 di Newton per metro quadrato, che a sua volta equivale a 1 N/mm².
Fattori influenzanti
La resistenza alla trazione è influenzata da molti fattori, tra cui la composizione chimica, la microstruttura, il processo di trattamento termico, il metodo di lavorazione, ecc. Materiali diversi hanno resistenze alla trazione diverse, quindi nelle applicazioni pratiche è necessario selezionare materiali adatti in base alle loro proprietà meccaniche.
Applicazione pratica
La resistenza alla trazione è un parametro molto importante nel campo della scienza e dell'ingegneria dei materiali e viene spesso utilizzata per valutare le proprietà meccaniche dei materiali. In termini di progettazione strutturale, selezione dei materiali, valutazione della sicurezza, ecc., la resistenza alla trazione è un fattore da considerare. Ad esempio, nell'ingegneria edile, la resistenza alla trazione dell'acciaio è un fattore importante per determinare la sua capacità di sopportare carichi; nel settore aerospaziale, la resistenza alla trazione di materiali leggeri e ad alta resistenza è fondamentale per garantire la sicurezza degli aeromobili.
Resistenza alla fatica:
La fatica dei metalli è il processo in cui materiali e componenti producono gradualmente danni cumulativi permanenti locali in uno o più punti sottoposti a sollecitazioni o deformazioni cicliche e, dopo un certo numero di cicli, si verificano crepe o fratture complete improvvise.
Caratteristiche
Improvvisazione nel tempo: la rottura per fatica del metallo spesso si verifica improvvisamente in un breve lasso di tempo, senza segni evidenti.
Località nella posizione: la rottura per fatica si verifica solitamente in aree locali in cui è concentrato lo stress.
Sensibilità all'ambiente e ai difetti: la fatica dei metalli è molto sensibile all'ambiente e ai piccoli difetti all'interno del materiale, che possono accelerare il processo di fatica.
Fattori influenzanti
Ampiezza dello stress: l'entità dello stress influisce direttamente sulla resistenza alla fatica del metallo.
Entità media dello stress: maggiore è lo stress medio, più breve è la resistenza alla fatica del metallo.
Numero di cicli: maggiore è il numero di volte in cui il metallo è sottoposto a sollecitazioni o deformazioni cicliche, più grave sarà l'accumulo di danni da fatica.
Misure preventive
Ottimizza la selezione dei materiali: seleziona materiali con limiti di fatica più elevati.
Riduzione della concentrazione di stress: ridurre la concentrazione di stress tramite metodi di progettazione strutturale o di lavorazione, come l'uso di transizioni con angoli arrotondati, l'aumento delle dimensioni della sezione trasversale, ecc.
Trattamento superficiale: lucidatura, spruzzatura, ecc. sulla superficie del metallo per ridurre i difetti superficiali e migliorare la resistenza alla fatica.
Ispezione e manutenzione: ispezionare regolarmente i componenti metallici per individuare e riparare tempestivamente difetti come crepe; effettuare la manutenzione delle parti soggette a fatica, ad esempio sostituendo le parti usurate e rinforzando i collegamenti deboli.
La fatica dei metalli è una modalità di rottura comune, caratterizzata da rapidità, localizzazione e sensibilità all'ambiente. L'ampiezza dello sforzo, l'entità media dello sforzo e il numero di cicli sono i principali fattori che influenzano la fatica dei metalli.
Curva SN: descrive la resistenza alla fatica dei materiali sottoposti a diversi livelli di stress, dove S rappresenta lo stress e N rappresenta il numero di cicli di stress.
Formula del coefficiente di resistenza alla fatica:
(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)
Dove (Ka) è il fattore di carico, (Kb) è il fattore di dimensione, (Kc) è il fattore di temperatura, (Kd) è il fattore di qualità della superficie e (Ke) è il fattore di affidabilità.
Espressione matematica della curva SN:
(\sigma^m N = C)
Dove (\sigma) è lo stress, N è il numero di cicli di stress e m e C sono costanti del materiale.
Fasi di calcolo
Determinare le costanti del materiale:
Determinare i valori di m e C mediante esperimenti o consultando la letteratura pertinente.
Determinare il fattore di concentrazione delle sollecitazioni: considerare la forma e le dimensioni effettive della parte, nonché la concentrazione delle sollecitazioni causata da raccordi, sedi per chiavette, ecc., per determinare il fattore di concentrazione delle sollecitazioni K. Calcolare la resistenza alla fatica: in base alla curva SN e al fattore di concentrazione delle sollecitazioni, combinati con la durata di vita prevista e il livello di sollecitazione di lavoro della parte, calcolare la resistenza alla fatica.
2. Plasticità:
La plasticità si riferisce alla proprietà di un materiale che, sottoposto a una forza esterna, produce una deformazione permanente senza rompersi quando la forza esterna supera il suo limite elastico. Questa deformazione è irreversibile e il materiale non tornerà alla sua forma originale anche se la forza esterna viene rimossa.
Indice di plasticità e sua formula di calcolo
Allungamento (δ)
Definizione: l'allungamento è la percentuale della deformazione totale della sezione di riferimento dopo che il campione è stato fratturato per trazione fino alla lunghezza di riferimento originale.
Formula: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%
Dove L0 è la lunghezza di riferimento originale del campione;
L1 è la lunghezza del calibro dopo la rottura del campione.
Riduzione segmentale (Ψ)
Definizione: La riduzione segmentale è la percentuale della riduzione massima dell'area della sezione trasversale nel punto di strizione dopo che il campione è stato rotto fino a raggiungere l'area della sezione trasversale originale.
Formula: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%
Dove F0 è l'area della sezione trasversale originale del campione;
F1 è l'area della sezione trasversale nel punto di restringimento dopo la rottura del campione.
3. Durezza
La durezza del metallo è un indice di proprietà meccanica che misura la durezza dei materiali metallici. Indica la capacità di resistere alla deformazione nel volume locale sulla superficie del metallo.
Classificazione e rappresentazione della durezza dei metalli
La durezza dei metalli è classificata e rappresentata in base a diversi metodi di prova. Tra questi rientrano principalmente:
Durezza Brinell (HB):
Campo di applicazione: generalmente utilizzato quando il materiale è più morbido, come metalli non ferrosi, acciaio prima del trattamento termico o dopo la ricottura.
Principio del test: con un carico di prova di una certa entità, una sfera di acciaio temprato o una sfera di carburo di un certo diametro viene premuta sulla superficie del metallo da testare; dopo un tempo specificato, il carico viene scaricato e viene misurato il diametro dell'impronta sulla superficie da testare.
Formula di calcolo: il valore di durezza Brinell è il quoziente ottenuto dividendo il carico per la superficie sferica dell'impronta.
Durezza Rockwell (HR):
Campo di applicazione: generalmente utilizzato per materiali con durezza elevata, ad esempio durezza dopo trattamento termico.
Principio di prova: simile alla durezza Brinell, ma utilizzando sonde diverse (diamante) e metodi di calcolo diversi.
Tipi: a seconda dell'applicazione, esistono HRC (per materiali ad elevata durezza), HRA, HRB e altri tipi.
Durezza Vickers (HV):
Campo di applicazione: adatto per analisi al microscopio.
Principio del test: premere la superficie del materiale con un carico inferiore a 120 kg e un penetratore conico quadrato diamantato con un angolo al vertice di 136° e dividere l'area superficiale della cavità di indentazione del materiale per il valore del carico per ottenere il valore di durezza Vickers.
Durezza Leeb (HL):
Caratteristiche: Durometro portatile, facile da misurare.
Principio del test: utilizzare il rimbalzo generato dalla testa della sfera d'impatto dopo l'impatto sulla superficie dura e calcolare la durezza tramite il rapporto tra la velocità di rimbalzo del punzone a 1 mm dalla superficie del campione e la velocità d'impatto.
Data di pubblicazione: 25 settembre 2024
