Home » Notizie » Calcolo strutturale » Resilienza dei materiali

Resilienza materiali

Resilienza dei materiali

Tempo di lettura stimato: 4 minuti

Cos’è la resilienza dei materiali, quali sono i materiali più resilienti? I concetti di base

La resilienza dei materiali è una proprietà fondamentale che determina la capacità di un materiale di assorbire energia e deformarsi plasticamente sotto l’effetto di sollecitazioni improvvise o carichi dinamici.

Il concetto di resilienza si estende oltre la mera resistenza meccanica, includendo aspetti come la duttilità e la tenacità, che contribuiscono alla capacità di un materiale di dissipare energia attraverso deformazioni plastiche controllate. In pratica, un materiale resiliente può subire deformazioni significative prima di raggiungere il punto di frattura, comportandosi in maniera prevedibile e sicura sotto carichi variabili e in condizioni ambientali diverse.

Cos’è la resilienza di un materiale?

Nella tradizione ingegneristica italiana, la “resilienza” si riferisce all’energia meccanica necessaria per rompere un materiale mediante un urto, utilizzando una macchina e una provetta del materiale conformi agli standard normativi.

Prova di resilienza: il pendolo di Charpy

Il metodo di prova più comune per valutare la resistenza all’urto intesa come energia assorbita durante l’impatto a cui è sottoposta una provetta è quello proposto nel 1901 dal francese Georges Charpy (1865-1945), che utilizza un pendolo con un maglio sagomato che colpisce e spezza la provetta.

La misura consiste nel calcolare la differenza tra l’altezza di caduta del maglio (H1) e l’altezza di risalita (H2), che, moltiplicata per il peso (P), dà l’energia assorbita dalla provetta, espressa come P·(H1-H2). Questo valore si riferisce alla sezione trasversale della provetta in corrispondenza della linea di percussione, sebbene questo riferimento alla superficie unitaria non sia necessario con provette standard. La resilienza, come grandezza fisica misurata, è indicata con la lettera K, seguita da una V o una U a seconda del tipo di intaglio della provetta e da un numero che indica il raggio del percussore nel punto di impatto, che può essere di 2 o 8 mm. Pertanto, le possibili combinazioni sono: KV2, KV8, KU2, KU8, con i primi due casi più comuni.

La resilienza K è data dal rapporto tra:

K= L/S

dove L rappresenta il lavoro necessario per rompere in un unico colpo la provetta ed S è la sezione del materiale preso in esame.

Misurando l’espansione massima dei due spezzoni sul lato opposto all’intaglio, cioè il lato colpito dal maglio, si ottiene un indicatore del grado di deformazione plastica della provetta e quindi del rapporto tra frattura duttile e frattura fragile. Questo rapporto può essere quantificato osservando la morfologia della superficie di frattura, distinguendo la zona di frattura fragile, con aspetto liscio (clivaggio), dalla zona duttile, con aspetto fibroso. La percentuale di frattura duttile è determinata dalle dimensioni approssimate della zona centrale fragile.

Il valore di resilienza e la percentuale di frattura duttile sono riferiti a una temperatura prestabilita, generalmente la temperatura ambiente, che per normativa deve essere compresa tra 23 ± 5°C. Possono essere previste prove a temperature diverse da quella ambiente, immergendo la provetta in un fluido termostato alla temperatura desiderata e poi effettuando rapidamente la prova Charpy. Le prove a varie temperature, specialmente a temperature criogeniche, sono particolarmente importanti per materiali con struttura cubica a corpo centrato, come gli acciai ferritici. Questi materiali, a differenza di quelli con struttura cubica a facce centrate, diventano fragili sotto una certa temperatura di transizione (Tt).

Un materiale con un alto valore di resilienza si deforma in modo marcato; un materiale a bassa resilienza è, invece, fragile e assorbe poca energia durante la propagazione della cricca che porta a rottura il pezzo.

Resilienza dei materiali: la formula

La resilienza dei materiali si sviluppa in due fasi ben distinte:

  • assorbimento di energia: durante la deformazione elastica, un materiale immagazzina energia. La resilienza misura la quantità di energia per unità di volume che il materiale può immagazzinare senza subire deformazioni permanenti;
  • rilascio di energia: quando il carico viene rimosso, un materiale resiliente ritorna alla sua forma originale, rilasciando l’energia immagazzinata senza alterazioni permanenti nella struttura del materiale.

La resilienza viene spesso rappresentata dall’area sotto la curva di stress-strain nel regime elastico di un materiale. Matematicamente, può essere definita come:

Resilienza = σ2/ 2E

dove:

  • σ è lo stress (tensione) massimo nel regime elastico;
  • E è il modulo di Young (modulo di elasticità) del materiale.

Materiali resilienti

I materiali resilienti non si oppongono all’urto finché non si spezzano, ma lo ammortizzano e lo assorbono, in virtù delle proprietà elastiche della propria struttura. I materiali resilienti vengono utilizzati in applicazioni dove è importante che il materiale possa assorbire e rilasciare energia senza deformarsi permanentemente. Esempi comuni includono molle, ammortizzatori e componenti meccanici soggetti a sollecitazioni cicliche.

Esempi di materiali resilienti

Ecco alcuni esempi di materiali resilienti:

  • acciai: alcuni acciai possono avere alta resilienza e sono usati in applicazioni strutturali dove è importante assorbire energia da impatti o vibrazioni;
  • gomme e polimeri elastici: questi materiali hanno elevata resilienza e sono comunemente utilizzati in applicazioni come guarnizioni, supporti antivibrazioni e pneumatici;
  • leghe di alluminio: note per la loro alta resistenza e resistenza alla fatica, grazie alla loro struttura cristallina e alla presenza di elementi leggeri come il magnesio e il manganese;
  • fibra di carbonio: è un materiale composito molto resistente e leggero, utilizzato in applicazioni come l’aerospaziale, l’automotive e lo sport;
  • nanomateriali: sono materiali la cui struttura è composta da particelle di dimensioni inferiori ai 100 nanometri. Questi materiali hanno proprietà uniche e possono essere utilizzati per creare materiali con alta resilienza;
  • materiali polimerici: sono noti per la loro alta resistenza e resistenza alla fatica, grazie alla loro struttura molecolare e alla capacità di deformazione (il polietilene, il polipropilene, ecc.);
  • materiali ceramici: sono noti per la loro alta resistenza e resistenza alla fatica, grazie alla loro struttura cristallina e alla capacità di resistere ai carichi dinamici (il ceramico, il silicio, ecc. ).

Ti consiglio un software calcolo strutturale cemento armato, la migliore soluzione per modellare facilmente le strutture in cemento armato e in acciaio (tra i materiali più resilienti), ottenendo risultati professionali senza rimanere indietro nel tuo lavoro.

 

Edilus-CA

 

Edilus-CA
0 commenti

Lascia un Commento

Cosa ne pensi?
Lascia un commento sull'articolo.

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *