Introduzione

In ingegneria, i materiali sono esposti a diversi tipi di carichi. I carichi a cui possono essere sottoposti i materiali possono essere elencati come trazione, compressione, flessione, taglio o torsione. Allo stesso tempo, questi carichi possono differire staticamente o dinamicamente. Il materiale può dover resistere a uno o più di questi carichi contemporaneamente. In questo caso, è necessario sapere quale materiale utilizzare in quali condizioni. Per raggruppare i materiali, si osservano le loro reazioni sotto determinati carichi con dei test, rivelando così le proprietà meccaniche dei materiali.

Le prove per ottenere le proprietà elastiche possono essere distinte in statiche e dinamiche. Perché una prova sia statica, la forza deve essere applicata a una frequenza massima di 1 Hz, in modo costante e una sola volta. In questo caso, la sollecitazione è costante e il rapporto di allungamento è inferiore a 0,25 nella prova statica. Le prove dinamiche sono utilizzate per questi tipi di carichi, poiché le prove statiche non possono costituire un modello adeguato per carichi che cambiano improvvisamente. Nelle prove dinamiche, il carico è variabile e al campione viene applicata una deformazione sinusoidale. Queste prove possono essere eseguite anche a temperature elevate o basse. Come risultato delle prove dinamiche, si ottengono informazioni sulla durezza e sullo smorzamento. Le prove di fatica possono essere considerate una sottocategoria delle prove dinamiche. Il carico viene applicato ciclicamente. Queste prove vengono eseguite con cicli di trazione-trazione, compressione-compressione o compressione-trazione inversa. Come risultato della prova di fatica, è possibile determinare la durata dei materiali. Con la prova di fatica si determinano anche la resistenza alla fatica e la resistenza alla fessurazione.

 

Test di trazione

La prova di trazione è uno dei test più comuni in ingegneria per determinare le proprietà di resistenza dei materiali. Viene eseguita per determinare le proprietà meccaniche dei materiali isotropi. Questa prova si basa fondamentalmente sull'applicazione di una forza di trazione sul provino da facce opposte nella stessa direzione e sul monitoraggio della sollecitazione sul materiale fino alla sua rottura. Come risultato della prova di trazione, si possono ottenere la resistenza allo snervamento, la massima resistenza alla trazione, la duttilità, il modulo di Young, il modulo di taglio e il rapporto di Poisson del materiale.

Curve di sollecitazione e di deformazione

Curve di sollecitazione e di deformazione

La tensione nominale di trazione applicata al materiale durante la prova è la seguente:

Dove F è la forza di trazione e A_0 è l'area della sezione trasversale sotto tensione. La deformazione è definita come;

Dove L_0 è la lunghezza iniziale del campione e Δ_L è l'allungamento del materiale dopo la prova.

Con i valori ricavati dalla prova, si ottiene la curva sforzo-deformazione. Questa curva rivela il punto di rottura, il limite di snervamento, la massima resistenza alla trazione e la condizione di fragilità-duttilità del materiale. Un altro vantaggio è che fornisce informazioni indipendentemente dalle dimensioni del materiale.

Il diagramma qui sopra mostra la curva sforzo-deformazione di un materiale fragile.

Per la maggior parte delle curve, la parte iniziale è lineare. Il valore del carico di snervamento si ottiene sulla curva quando si traccia una curva parallela alla pendenza della curva dal punto in cui l'allungamento nella curva sforzo-deformazione è 0,2%. Con il suo carico di snervamento possiamo determinare la sollecitazione massima che un materiale può sopportare senza subire danni permanenti. Fino a questo punto, l'oggetto si trova nella regione elastica. Dopo questo punto, il materiale entra nella zona plastica, dove le forze esercitate su di esso causano danni permanenti.

Sforzo di snervamento

La pendenza della linea immaginaria tracciata per trovare il carico di snervamento ci dà il modulo di Young, che è un'importante proprietà del materiale. Il modulo di Young si ottiene con:

La seguente equazione rappresenta il rapporto di Poisson, che è il negativo del rapporto tra lo spostamento orizzontale e lo spostamento verticale:

Test

La figura mostra la maggior parte delle sezioni trasversali dei campioni utilizzati per la prova di trazione. I campioni possono essere formati da una lastra o da un cilindro.

A seconda dei materiali e dei livelli di sensibilità di misura, si possono utilizzare diversi tipi di serraggio. Ogni metodo di fissaggio presenta vantaggi e svantaggi propri.

Test di compressione

Il test di compressione dimostra come si comportano i materiali quando vengono compressi o schiacciati. Il test dura in genere fino alla rottura della sostanza o fino a un limite predeterminato. In questo modo si calcola il carico che il materiale può sopportare prima di rompersi e l'entità del suo degrado fino a quel momento. Per testare un materiale, questo viene spesso riscaldato o raffreddato e sottoposto a molte direzioni di forza di compressione. Tuttavia, i test possono essere eseguiti in condizioni diverse.

I materiali con elevata resistenza alla trazione hanno generalmente una bassa resistenza alla compressione. Per questo motivo, questi materiali vengono esaminati con prove di compressione. I materiali su cui si eseguono più prove di compressione sono generalmente materiali fragili, ad esempio compositi, calcestruzzo, legno, metallo e mattoni; polimeri, plastiche e schiume.

Come risultato della prova di compressione si ottiene una curva forza-deformazione. La forza viene poi convertita in sforzo per creare una curva sforzo-deformazione. Questa curva è molto simile alla curva sforzo-deformazione della prova di trazione. Solo che gli assi sono in direzione dell'accorciamento.

Sollecitazione di compressione - % Deformazione di compressione

I calcoli effettuati per la prova di trazione sono validi anche per la prova di compressione;

Frantumazione

La frantumazione viene utilizzata per esprimere quanto il materiale si è accorciato durante la prova.

Esprimere la frantumazione.

Gonfiore

Il rigonfiamento è la crescita della sezione trasversale del materiale in esame. I materiali duttili sono più inclini al rigonfiamento. È formalizzato da:

Test

I materiali fragili sono tipicamente oggetto di prove di compressione. Le caratteristiche di compressione delle schiume rigide sono fornite dalla norma ISO 844 come esempio. In questa norma sono indicati i valori e le forme dell'area della sezione trasversale, i valori di temperatura-umidità e i risultati previsti per i campioni. Le sollecitazioni sono espresse in kPa.

Il valore dell'elasticità alla compressione previsto dalla norma è il seguente:

Qui, σ_e, è la forza alla fine della regione elastica convenzionale, h_0 è lo spessore iniziale del materiale e x_e è il percorso seguito dalla forza che genera la sollecitazione.

Di seguito sono riportati alcuni degli standard sviluppati per le prove di compressione:

ASTM D575-91 - Metodi di prova standard per le proprietà della gomma a compressione

ASTM E9-19 - Metodi di prova standard per le prove di compressione dei materiali metallici a temperatura ambiente

TS EN ISO 14126 - Materiali plastici compositi fibrorinforzati - Determinazione delle proprietà di compressione in direzione in-planare

 

Descrizione della tecnica

La valutazione del comportamento meccanico di un campione in condizioni di tensione e compressione può essere eseguita per fornire dati sulle proprietà di base del materiale, fondamentali per la progettazione dei componenti e la valutazione delle prestazioni di servizio. I requisiti per i valori di resistenza a trazione e compressione e i metodi per testare queste proprietà sono specificati in vari standard per un'ampia varietà di materiali. Le prove possono essere eseguite su campioni di materiale lavorati o su modelli in scala o a grandezza naturale di componenti reali. Queste prove vengono generalmente eseguite con uno strumento di prova meccanico universale.

La prova di trazione è un metodo per determinare il comportamento dei materiali sotto carico di trazione assiale. Le prove sono condotte fissando il provino nell'apparecchiatura di prova e quindi applicando una forza al provino separando le teste a croce della macchina di prova. La velocità della testa trasversale può essere variata per controllare la velocità di deformazione del provino. I dati della prova vengono utilizzati per determinare la resistenza alla trazione, la resistenza allo snervamento e il modulo di elasticità. La misurazione delle dimensioni del provino dopo la prova fornisce anche valori di riduzione dell'area e di allungamento per caratterizzare la duttilità del materiale. Le prove di trazione possono essere eseguite su molti materiali, tra cui metalli, plastiche, fibre, adesivi e gomme. I test possono essere eseguiti a temperature subambientali o elevate.

La prova di compressione è un metodo per determinare il comportamento dei materiali sotto un carico di compressione. Le prove di compressione vengono condotte caricando il provino tra due piastre, quindi applicando una forza al provino spostando insieme le teste trasversali. Durante la prova, il provino viene compresso e viene registrata la deformazione in funzione del carico applicato. La prova di compressione viene utilizzata per determinare il limite elastico, il limite proporzionale, il punto di snervamento, la resistenza allo snervamento e (per alcuni materiali) la resistenza alla compressione.

 

Informazioni analitiche

Resistenza alla compressione - La resistenza alla compressione è la massima sollecitazione di compressione che un materiale è in grado di sopportare senza fratturarsi. I materiali fragili si fratturano durante le prove e hanno un valore definito di resistenza alla compressione. La resistenza alla compressione dei materiali duttili è determinata dal loro grado di distorsione durante le prove.

Limite elastico - Il limite elastico è la sollecitazione massima che un materiale può sopportare senza subire una deformazione permanente dopo la rimozione della sollecitazione.

Allungamento - L'allungamento è la quantità di estensione permanente di un provino che è stato fratturato in una prova di trazione.

Moduli di elasticità - Il modulo di elasticità è il rapporto tra la sollecitazione (al di sotto del limite proporzionale) e la deformazione, cioè la pendenza della curva sollecitazione-deformazione. È considerato la misura della rigidità di un metallo.

Limite proporzionale - Il limite proporzionale è la massima sollecitazione che un materiale è in grado di raggiungere senza deviare dalla relazione lineare della curva sforzo-deformazione, cioè senza sviluppare una deformazione plastica.

Riduzione dell'area - La riduzione dell'area è la differenza tra l'area della sezione trasversale originale di un provino in trazione e l'area più piccola dopo la rottura in seguito alla prova.

Ceppo - La deformazione è la quantità di cambiamenti nelle dimensioni o nella forma di un materiale a causa di una forza.

Punto di rendimento - Il punto di snervamento è la sollecitazione di un materiale (di solito inferiore alla massima sollecitazione raggiungibile) in corrispondenza della quale si verifica un aumento della deformazione senza un aumento della tensione. Solo alcuni metalli hanno un punto di snervamento.

Resistenza allo snervamento - Il limite di snervamento è la sollecitazione alla quale un materiale presenta una specifica deviazione dalla relazione lineare sforzo-deformazione. Per i metalli viene spesso utilizzato un offset di 0,2%.

Resistenza alla trazione finale - Il carico di rottura, o UTS, è la massima sollecitazione di trazione che un materiale può sostenere senza fratturarsi. Si calcola dividendo il carico massimo applicato durante la prova di trazione per l'area della sezione trasversale originale del campione.

 

Applicazioni tipiche

Trazione e compressione proprietà della materia prima per il confronto con le specifiche del prodotto

Ottenere i dati sulle proprietà dei materiali per la modellazione ad elementi finiti o per la progettazione di altri prodotti per il comportamento meccanico e le prestazioni di servizio desiderate.

Simulazione delle prestazioni meccaniche dei componenti in servizio

 

Requisiti dei campioni

Le prove di trazione standard su metalli e plastiche sono condotte su provini appositamente preparati. Questi campioni possono essere cilindrici lavorati o piatti (dogbone). I campioni di prova devono avere un rapporto specifico tra lunghezza e larghezza o diametro nell'area di prova (gage) per produrre risultati ripetibili e conformi agli standard. metodo di prova requisiti. I prodotti tubolari, le fibre e i fili possono essere sottoposti a prove di trazione a grandezza naturale utilizzando dispositivi speciali che favoriscono una presa ottimale e la localizzazione dei cedimenti.

Il provino più comunemente utilizzato per le prove di compressione è un cilindro circolare retto con estremità piatte. È possibile utilizzare altre forme, che tuttavia richiedono attrezzature speciali per evitare la deformazione. Le configurazioni speciali per le prove sui componenti o le simulazioni di servizio dipendono dalla macchina di prova specifica da utilizzare.

La differenza tra le apparecchiature per le prove di trazione e quelle per le prove di compressione

Nel caso delle prove di trazione, la macchina di prova esercita un carico di tensione o una forza che allontana i campioni di prova. Nel caso delle prove di trazione delle materie plastiche, il campione di prova viene separato per misurare la resistenza alla trazione e altre proprietà, tra cui la rigidità e la resistenza allo snervamento. Esistono diversi standard industriali comuni che forniscono metodi concordati per le prove di trazione delle materie plastiche. L'ASTM D638 e l'ISO 527-2 presentano entrambi geometrie e dimensioni del campione di prova simili ma diverse. Questi test richiedono impugnature di trazione che devono afferrare il campione e regolarlo man mano che si assottiglia durante il processo di prova. Questi accessori sono diversi dai dispositivi di compressione. 

Nelle prove di compressione, la macchina di prova esercita un carico o una forza di spinta o di compressione per schiacciare il campione di prova fino a romperlo o schiacciarlo. Le prove di compressione di un materiale polimerico in schiuma strutturale sono trattate da ASTM D1621 che specifica il tipo di piastre di compressione e di deflettometro utilizzati. Il campione di prova viene posizionato tra le piastre di compressione finché la struttura cellulare non cede o si rompe.

Una macchina di prova universale può eseguire sia prove di trazione che di compressione. La testa a croce può essere utilizzata per tirare o comprimere il campione di prova che si trova tra la piastra di base e la testa mobile.

Le attrezzature per prove di trazione, o pinze, e i sensori di deformazione (noti come estensimetri) non possono eseguire prove di compressione. Inoltre, i morsetti di trazione sono appositamente adattati per coprire l'esatta geometria e le dimensioni del provino. Anche le piastre per prove di compressione e il deflettometro sono in grado di eseguire solo prove di compressione, quindi in questo caso sono necessari entrambi i set di accessori.

 

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