Resistenza alla trazione, allo snervamento e al taglio: differenze e guida all'applicazione

Gli ingegneri commettono inconsapevolmente errori nella progettazione del prodotto durante la determinazione e la selezione della resistenza del prodotto stesso. A volte i prodotti cedono a causa di un cedimento per taglio, mentre l’attenzione è concentrata principalmente sulla resistenza alla trazione e sul limite di snervamento. I diversi materiali utilizzati nello sviluppo del prodotto possono cedere a causa di una progettazione inadeguata rispetto alle diverse resistenze richieste. Ad esempio, mentre il superamento della resistenza allo snervamento può portare alla deformazione dell’alloggiamento in plastica, un inserto filettato può cedere a causa di una resistenza al taglio insufficiente. Analogamente, una volta che le staffe metalliche raggiungono la loro resistenza alla trazione, si rompono. Questi esempi dimostrano che materiali diversi presentano tipi di resistenza diversi, che devono essere presi in considerazione nella progettazione e nello sviluppo del prodotto. Ma esiste una differenza netta tra queste tre proprietà? Questa guida descrive ciascuna proprietà, illustra in che modo si differenziano l’una dall’altra e ne discute la misurazione e le prove di verifica.

Cosa sono la resistenza alla trazione, il limite di snervamento e la resistenza al taglio?

È probabile che la maggior parte delle persone interpreti erroneamente questi termini a causa della loro stretta correlazione. Infatti, chi non è esperto di fisica, meccanica e ingegneria a volte pensa che siano la stessa cosa. Tuttavia, questi termini descrivono meccanismi di cedimento diversi. Approfondiamo ciascuno di essi.

Che cos’è la resistenza alla trazione?

La resistenza alla trazione è una delle proprietà meccaniche di non trascurabile importanza nelle applicazioni industriali. Questa proprietà ha un impatto fondamentale sulla sicurezza e sulle prestazioni dei diversi materiali utilizzati nella fabbricazione di vari prodotti.

Questa proprietà è riscontrabile nelle attività quotidiane. Ad esempio, una gru può sollevare un carico pesante utilizzando una sottile fune d’acciaio senza che questa si rompa. Ciò è dovuto al fatto che la fune possiede una resistenza alla trazione molto elevata. Se il carico superasse la resistenza alla trazione della fune d’acciaio, questa si spezzerebbe, causando incidenti con vittime.

Definizione e unità di misura

La resistenza alla trazione è definita come il valore massimo di sollecitazione che un materiale è in grado di sopportare prima di rompersi o fratturarsi. Si calcola dividendo la forza di trazione massima per l'area della sezione trasversale originale di un provino. Si basa sul principio secondo cui, all'aumentare della sollecitazione in un materiale, i legami tra i suoi atomi vengono stirati e alla fine si rompono.

Un materiale acquisisce elasticità quando viene sottoposto a una sollecitazione. Quando la sollecitazione viene rimossa, il materiale ritorna alla sua forma originaria. Tuttavia, se la sollecitazione continua ad essere applicata, il materiale entra nella regione plastica. In questa regione, la struttura atomica o molecolare interna del materiale subisce uno scorrimento permanente (determinato dal movimento delle dislocazioni nei metalli cristallini o dal districamento delle catene molecolari nei polimeri), e diventa impossibile per il materiale tornare alla sua forma originale ^[1].

La resistenza alla trazione si misura in megapascal (N/mm²). La tabella seguente riassume le altre unità correlate.

1 MPa ≈ 145 psi

1 Ksi = 6,895 MPa

Formula per la resistenza alla trazione

Resistenza alla trazione (S) è data da:;

S = F / A

Dove F è la forza di trazione applicata, espressa in N o lbf. A è l'area della sezione trasversale originale del provino (mm², m² o in²). 

La resistenza alla trazione massima raggiunta da un materiale durante il carico è detta resistenza alla trazione massima (UTS). Una volta raggiunta e superata l’UTS, il materiale inizia a restringersi. Man mano che il carico aumenta, il restringimento accelera fino alla frattura del materiale. L’UTS è data da:,

UTS=F_massimo/A₀

Dove F_massimo è la forza massima sostenuta prima della rottura, e A₀ è l'area della sezione trasversale iniziale prima del carico.

Misurazione della resistenza alla trazione

È possibile misurare la resistenza alla trazione eseguendo prove di trazione con una macchina di prova universale (UTM). L'UTM viene talvolta chiamata macchina per prove di trazione.

Il processo inizia con la preparazione di un provino standard. Nel caso delle materie plastiche, il materiale viene stampato in un provino a forma di “osso di cane”, mentre per i metalli viene ricavato un provino cilindrico mediante lavorazione meccanica. Prima della lavorazione meccanica, viene misurata l’area della sezione trasversale originale A0.

Dopo la preparazione, il provino viene fissato sulla macchina UTM. La macchina tira i provini a velocità controllata. Mentre la macchina continua a tirare il provino, si registrano i dati, che includono la forza e il corrispondente allungamento. È possibile interpretare il comportamento del materiale osservando la curva sforzo-deformazione generata dalla macchina. La resistenza alla trazione (S) può quindi essere calcolata come indicato dalla formula sopra riportata.

Che cos’è il limite di snervamento?

Il limite di snervamento e la resistenza alla trazione sono termini correlati. Nel caso dei materiali duttili, un materiale raggiunge il proprio limite di snervamento prima di raggiungere la resistenza alla trazione massima. I materiali fragili, invece, tendono a fratturarsi prima che si verifichi uno snervamento significativo.

Il limite di snervamento è la soglia di sollecitazione alla quale i materiali passano da un comportamento elastico (deformazione reversibile) a un comportamento plastico (deformazione permanente). Si misura in megapascal (MPa). 

Prendiamo, ad esempio, il caso in cui si tirino lentamente entrambe le estremità di una graffetta. All’inizio, la graffetta si allunga leggermente. Quando si smette di tirare, la graffetta ritorna nella posizione originale. Se invece si continua a tirare con più forza e poi si rilascia la forza, la graffetta non ritorna più nella posizione originale. A questo punto, si dice che la graffetta ha raggiunto il proprio limite di snervamento. Tecnicamente, si dice che la graffetta in questo stato abbia subito una deformazione permanente senza rompersi.

Misurazioni del limite di snervamento

Prima di approfondire i metodi di misurazione del limite di snervamento, è fondamentale comprendere i termini derivati utilizzati per calcolarlo. Uno di questi termini è la sollecitazione (σ). Si tratta della quantità di forza per unità di superficie a cui è sottoposto un materiale. È data dalla formula:,

σ = F/A,

Dove F è la forza applicata e A è l'area della sezione trasversale. La sollecitazione massima si verifica quando una forza massima viene applicata su un'area superficiale molto ristretta.

Il secondo termine è la deformazione (ε). Si tratta della capacità del materiale di allungarsi o comprimersi rispetto alle sue dimensioni originali. È data da:,

ε = ΔL/L₀,

 Dove ΔL è la variazione di lunghezza e L₀ è la lunghezza iniziale.

Il modulo di Young (E) indica il grado di rigidità di un materiale. Un valore elevato di E indica che il materiale si deforma pochissimo sotto carico, come l’acciaio rispetto alla gomma. È dato da

E = σ/ε

Un materiale manterrà un andamento lineare della relazione sforzo-deformazione secondo la legge di Hooke fino a raggiungere il punto di snervamento, ovvero la soglia esatta in cui lo sforzo applicato supera in modo permanente le forze interatomiche che mantengono il reticolo cristallino del materiale nel suo stato elastico ^[2].

Si dice che un materiale sia rigido se resiste alla deformazione. Tali materiali presentano il modulo di Young più elevato. Tuttavia, ciò non significa che abbiano anche il limite di snervamento più alto. Una buona progettazione ingegneristica deve sempre trovare il giusto equilibrio tra queste proprietà. Per approfondire la differenza tra rigidità, resistenza complessiva e durezza, consulta la nostra guida completa su [Resistenza, rigidità e durezza].

Che cos’è la resistenza al taglio?

Prima di approfondire il concetto di resistenza al taglio, è importante capire che cos’è la forza di taglio. La forza di taglio descrive la forza interna che agisce parallelamente a una superficie, cercando di far scivolare o deformare una parte della superficie rispetto a un’altra.

La resistenza al taglio è la capacità di un materiale di resistere alle forze che possono provocare lo scorrimento della struttura interna contro di esso. Quando vengono applicate forze di taglio, la superficie del materiale tenderà a scivolare e a deformarsi. La resistenza al taglio è fondamentale in diverse applicazioni ingegneristiche in cui i materiali sono sottoposti a forze laterali.

La resistenza al taglio riveste un ruolo fondamentale nella progettazione e nell'analisi di strutture quali travi, pilastri e giunti. Garantire un'adeguata resistenza al taglio previene i cedimenti strutturali e migliora la durata delle costruzioni.

La resistenza al taglio si manifesta anche nelle esperienze quotidiane. In un ponte in acciaio, i bulloni che collegano gli elementi strutturali sono sottoposti principalmente a carichi di taglio. Se il carico diventa eccessivo, i bulloni possono cedere per taglio, consentendo alle piastre collegate di separarsi. Questa resistenza trova applicazione anche nel taglio dei bulloni. La forza di taglio viene applicata nella direzione opposta. Queste forze opposte provocano la rottura del materiale lungo un piano anziché la sua deformazione. La capacità del bullone di resistere a queste due forze opposte è la resistenza al taglio.

Misurazione e prova della resistenza al taglio

Le prove di taglio sono comunemente utilizzate nella scienza dei materiali, nell'ingegneria e in vari altri settori industriali per valutare l'idoneità di un materiale a specifiche applicazioni.

Nella prova di taglio, un campione di materiale viene posizionato tra due superfici parallele e viene applicata una forza fino a quando il materiale non subisce una rottura per taglio. Il parametro chiave misurato è lo sforzo di taglio, che si calcola dividendo la forza applicata per l’area della sezione trasversale del materiale. Il risultato può fornire indicazioni sulla durabilità, la resistenza e le prestazioni del materiale in condizioni di sollecitazione reali.

Quali sono i valori tipici della resistenza alla trazione, allo snervamento e al taglio?

La tabella seguente riassume la resistenza alla trazione, il limite di snervamento e la resistenza al taglio di diversi materiali. Questi valori di riferimento sono ricavati rigorosamente da protocolli di prova standardizzati a temperatura ambiente (come la norma ASTM E8 per i metalli e la norma ASTM D638 per le materie plastiche) ^[3].

Riferimento

[1] Meyers, M. A. e Chawla, K. K. (2008). Comportamento meccanico dei materiali (2ª ed.). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9780511810947

[2] Pelleg, J. (2012). Proprietà meccaniche dei materiali. Springer. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7

[3] ASM International. (1990). Manuale ASM, Volume 2: Proprietà e selezione: leghe non ferrose e materiali per usi speciali. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v02.9781627081627