Resistenza meccanica: materiali e prove

La resistenza meccanica degli elementi è una proprietà fondamentale dei materiali che determina la capacità dello stesso di resistere a carichi applicati senza subire deformazioni permanenti o rotture. Questa proprietà è fondamentale per garantire la sicurezza, l’affidabilità e la longevità delle costruzioni e dei componenti meccanici.

Che cos’è la resistenza meccanica?

Prima di addentrarci nel vivo dell’argomento, diamo una definizione di resistenza meccanica. La resistenza meccanica è una proprietà fondamentale dei materiali che indica la loro capacità di resistere a deformazioni e fratture sotto l’azione di carichi. Questa proprietà è fondamentale per la progettazione di strutture e componenti meccanici poiché determina la durata e la sicurezza delle costruzioni.

Resistenza meccanica dei materiali

La resistenza meccanica dei materiali è generalmente valutata attraverso diversi parametri, tra i quali la resistenza a trazione, la compressione, la flessione e il taglio. Ogni tipo di resistenza offre informazioni specifiche su come un materiale reagisce a vari tipi di sollecitazioni.

Stress e Strain
Due concetti fondamentali nella meccanica dei materiali sono lo stress (σ tensione) e lo strain (ε-deformazione). Lo stress è definito come la forza applicata per unità di area (σ = F/A), mentre lo strain è la deformazione relativa di un materiale sotto carico (ε = ΔL/L₀), dove ΔL è la variazione di lunghezza e L₀ è la lunghezza originale.

Diagramma Stress-Strain
Un diagramma stress-strain è essenziale per comprendere la resistenza meccanica di un materiale. Esso mostra la relazione tra lo stress applicato e lo strain risultante. I punti chiave di questo diagramma includono:

• limite di proporzionalità: il punto fino al quale lo stress è direttamente proporzionale allo strain (Legge di Hooke);
• limite elastico: il massimo stress che un materiale può sopportare senza deformazione permanente;
• punto di snervamento: il punto in cui il materiale inizia a deformarsi plasticamente;
• resistenza massima: il massimo stress che un materiale può sopportare;
• punto di rottura: il punto in cui il materiale si frattura.

Resistenza meccanica dell’alluminio

Le caratteristiche meccaniche dell’alluminio puro cambiano solo in relazione allo stato di incrudimento dello stesso. Allo stato ricotto la durezza Brinell è di circa 16 Kg/mm², la resistenza a trazione ~7 kg/mm² il modulo di elasticità ~6700 Kg/mm², il limite di snervamento (S_0,2) ~2 Kg/mm2, l’allungamento (A5) ~55%.

Un aspetto piuttosto singolare dell’alluminio è che il modulo di elasticità rimane praticamente costante o aumenta solo leggermente, anche nelle leghe trattate termicamente con valori di resistenza molto elevati. Pertanto, per garantire la rigidità di una struttura in alluminio, non è necessario utilizzare una lega con caratteristiche di resistenza particolarmente elevate. L’alluminio è, inoltre, molto duttile e malleabile, potendo essere ridotto in fogli sottili fino a 7 micron.

Resistenza meccanica dei materiali EdiLus

Resistenza meccanica dell’acciaio

L’acciaio è un materiale che si distingue per la sua omogeneità, isotropia e isoresistenza, ossia presenta la stessa resistenza sia alla trazione che alla compressione. Questo materiale è noto per la sua elevata duttilità e capacità di dissipazione dell’energia, oltre che per l’alto rendimento meccanico, derivante dal rapporto tra resistenza e peso specifico, permettendo di ridurre i pesi strutturali. Grazie a queste caratteristiche, l’acciaio è particolarmente adatto per la costruzione di sistemi strutturali in aree sismiche.

Le caratteristiche meccaniche, fisiche e chimiche dell’acciaio vengono determinate mediante prove di qualificazione del materiale. Questi controlli devono essere effettuati negli stabilimenti di produzione, nei centri di trasformazione e nei cantieri. Le principali prove da eseguire sono le seguenti:

• prova di trazione: consente di determinare le proprietà meccaniche dell’acciaio (come la resistenza e la deformabilità);
• prova di resilienza: misura la tenacità del materiale;
• analisi chimiche: si verifica che la percentuale di elementi secondari non superi i limiti stabiliti dalle normative.

La prova di trazione sull’acciaio ha l’obiettivo di determinare il legame costitutivo del materiale (diagramma sforzi-deformazioni), identificando i valori del modulo elastico E, della tensione di snervamento f_y, della tensione di rottura f_u e delle rispettive deformazioni.

La prova di resilienza sui metalli, tra i quali l’acciaio, è un test distruttivo che comporta la frattura del campione esaminato. Questo test è finalizzato a misurare l’energia necessaria per rompere, con un singolo colpo, un campione metallico di dimensioni standard, inciso longitudinalmente sulla sua parte più lunga e supportato da due appoggi.

Il metodo di prova più comune prevede l’uso di un pendolo noto come Pendolo Charpy, ancora ampiamente utilizzato per la sua semplicità d’uso e l’affidabilità dei risultati. Il Pendolo Charpy consiste in un maglio sagomato fissato ad una estremità. L’estremità opposta è sollevata a una certa altezza (H1) e poi rilasciata, cadendo per effetto della gravità. Durante il suo movimento, il maglio colpisce e frattura il campione di prova, per poi risalire fino a un’altezza (H2) che è inferiore a quella di partenza.

L’analisi chimica sull’acciaio avviene tramite il quantometro, una tecnica di spettrometria ad emissione ottica che permette un’analisi veloce dei principali elementi costituenti del materiale. Questo tipo di analisi fornisce un’indicazione iniziale sulle caratteristiche del materiale esaminato e permette di verificare i requisiti della sua composizione chimica. Dal momento che i materiali metallici sono suscettibili alla corrosione, la quale può compromettere le loro proprietà, i composti formati durante questo processo, noti come prodotti di corrosione, possono essere identificati attraverso l’analisi spettrometrica, permettendo di risalire al tipo di corrosione che li ha generati.

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Resistenza meccanica del legno

Le caratteristiche meccaniche del legno possono variare notevolmente in base all’essenza, al peso specifico secco, al livello di umidità, all’orientamento delle fibre rispetto alla sollecitazione e ai difetti del legno stesso. Per determinarle, si effettuano prove su campioni ridotti di legno e su elementi strutturali di dimensioni maggiori.

I campioni ridotti hanno sezioni fino a 20 mm x 20 mm. Le norme per le prove su campioni di dimensioni strutturali non specificano dimensioni fisse, ma i valori caratteristici si riferiscono comunque a larghezze o altezze standard. Le caratteristiche meccaniche del legno mostrano una grande dispersione dei valori, con il rapporto tra il valore minimo e massimo della resistenza alla rottura di un elemento di legno segato che può arrivare a 1:10.

La procedura di classificazione del materiale mira a ottenere: classi di resistenza con proprietà differenziate e valori caratteristici affidabili e una distribuzione più omogenea dei valori delle proprietà meccaniche all’interno di ciascuna classe di resistenza. Le esigenze per l’uso del legno segato variano a seconda dell’applicazione prevista e spesso i criteri di classificazione si sovrappongono, includendo anche criteri estetici.

La classificazione in base alla resistenza si effettua principalmente con due metodi:

• la classificazione visiva, tradizionalmente usata in Italia;
• la classificazione meccanica, conforme alle norme europee e più recente.

La classificazione secondo la resistenza è un processo individuale, in cui ogni elemento ligneo portante di una struttura deve essere classificato singolarmente. La classificazione visiva, più semplice di quella meccanica, utilizza criteri osservabili senza strumenti particolari, come:

• nodi;
• inclinazione delle fibre;
• ampiezza degli anelli di crescita;
• smussi;
• posizione nel tronco o nella sezione.

I sistemi di classificazione meccanica più comuni includono:

• misurazione del modulo di elasticità (attraverso flessione o modulo E “statico”);
• misurazione di parametri relativi alla propagazione di onde o vibrazioni (frequenze di risonanza, propagazione degli ultrasuoni, ecc.);
• metodi basati sui raggi X (principio delle radiografie).

La classificazione visiva avviene sulla base della UNI 11035-1:2022 che descrive i metodi per la misurazione delle caratteristiche e regole di classificazione secondo la resistenza meccanica per legname di conifera destinato all’utilizzo in strutture portanti. La norma si applica al legno massiccio di qualsiasi dimensione e umidità, con l’esclusione di prodotti incollati o assemblati per i quali gli elementi devono essere necessariamente classificati prima delle medesime operazioni di incollaggio o assemblaggio.

Per quanto riguarda, invece, la classificazione meccanica, bisogna far riferimento alla UNI EN 338:2016 che stabilisce un sistema di classi di resistenza di utilizzo generale per i codici di progettazione, fornisce valori caratteristici delle proprietà di resistenza e di rigidezza e valori della massa volumica per ciascuna classe di riferimento della UNI EN 14081-1.

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Prove di resistenza meccanica

La resistenza meccanica può essere misurata attraverso prove specifiche di compressione, trazione, flessione, taglio, torsione e durezza.

Prova di compressione

La resistenza a compressione misura la capacità di un materiale di resistere a forze che tendono a ridurne il volume. I materiali fragili (come la ceramica e alcuni tipi di calcestruzzo) tendono ad avere una resistenza a compressione molto superiore rispetto alla loro resistenza a trazione. Durante la prova di compressione, il provino viene sottoposto a una forza che agisce lungo il suo asse longitudinale, cercando di ridurne l’altezza. Questa prova è essenziale per materiali che verranno utilizzati in strutture portanti, dove le forze di compressione sono prevalenti .

Prova di trazione

La resistenza a trazione indica la capacità di un materiale di resistere a forze che tendono ad allungarlo. È una delle prove più comuni e fondamentali per valutare la qualità dei materiali metallici e polimerici. Durante la prova di trazione, il provino viene esteso fino alla rottura, e si misura la tensione e la deformazione che il materiale subisce. Questo tipo di prova è cruciale per materiali che verranno utilizzati in applicazioni dove dovranno sopportare carichi di trazione, come cavi, tiranti e componenti strutturali.

Prova di flessione

La resistenza a flessione è valutata tramite prove di flessione, che possono essere eseguite a tre o a quattro punti. Queste prove sono utilizzate principalmente per materiali fragili come il vetro, la ceramica e alcuni materiali compositi. Durante la prova di flessione, il provino viene appoggiato su due supporti e caricato al centro (nel caso della flessione a tre punti) o su due punti (nel caso della flessione a quattro punti), fino alla rottura. Questo tipo di prova permette di determinare il modulo di Young e stimare la resistenza a rottura del materiale.

Resistenza a taglio

La resistenza a taglio misura la capacità di un materiale di resistere a forze che tendono a far scivolare una parte del materiale rispetto all’altra. Le prove di taglio sono essenziali per valutare materiali utilizzati in giunti e componenti meccanici soggetti a sollecitazioni tangenziali. Durante la prova, il provino viene sottoposto a una forza applicata parallelamente alla sezione trasversale. Questo tipo di resistenza è fondamentale per garantire l’integrità strutturale di componenti come bulloni, rivetti e saldature.

Resistenza a torsione

La resistenza a torsione valuta la capacità di un materiale di resistere a forze che tendono a torcerlo. Questa prova è particolarmente importante per materiali che verranno utilizzati in alberi motore, viti e altri componenti soggetti a torsione. Durante la prova di torsione, il provino viene fissato a un’estremità e una forza rotante viene applicata all’altra, misurando l’angolo di torsione e il momento torcente fino alla rottura del materiale. Questa prova permette di valutare il comportamento del materiale sotto sollecitazioni di torsione, che possono essere critiche in molte applicazioni ingegneristiche.

Prova di durezza

La durezza rappresenta la capacità degli strati superficiali di un materiale di resistere all’indentazione (creazione di un’impronta sulla superficie), alla scalfittura, all’abrasione e alla deformazione per compressione. Per determinare la durezza, si crea un’impronta sulla superficie del materiale utilizzando un penetratore, che viene pressato verticalmente sulla superficie con un carico prestabilito F, in modo statico, e si misura una caratteristica dimensionale dell’impronta. Esistono diversi metodi per misurare la durezza, tra cui Brinell, Rockwell, Vickers e Knoop, che si differenziano per la forma del penetratore e il modo in cui viene misurata l’impronta. Le prove di durezza non sono distruttive e possono essere eseguite direttamente sul componente.

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Indirizzo articolo: https://biblus.acca.it/resistenza-meccanica-materiali-e-prove/