Sollecitazione e deformazione: tutto ciò che c'è da sapere

Sollecitazione e deformazione sono due termini diversi e al tempo stesso correlati. È fondamentale comprenderne la relazione per poter scegliere il materiale adatto alle diverse applicazioni di riferimento.

L'articolo che segue esplora le differenze tra i termini sollecitazione e deformazione e la loro importanza nella selezione dei materiali e nella progettazione. Quindi, proseguiamo con la lettura.

Che cos'è la sollecitazione?

La sollecitazione è la forza per unità di superficie che agisce su un dato materiale. Definisce inoltre il modo in cui i materiali reagiscono quando sono sottoposti a determinate condizioni di carico. All'interno di un oggetto si verificano diversi tipi di sollecitazione.

Tipi di sollecitazione

Le due forme di sollecitazione più comuni sono le seguenti:

Sollecitazione di trazione

La sollecitazione di trazione si verifica quando un oggetto viene tirato, provocandone un aumento di lunghezza. Ad esempio, quando un'asta viene tirata o un filo viene allungato da forze in direzione opposta applicate alle due estremità, si estende verso l'esterno.

Sollecitazione di compressione

La sollecitazione di compressione si verifica quando l'oggetto viene spinto e la lunghezza diminuisce. Ad esempio, quando un'asta o un filo viene compresso da forze uguali e opposte applicate alle due estremità.

Come funziona la sollecitazione nei materiali

La sollecitazione in un materiale si genera quando il materiale è sottoposto a una forza deformante. Si crea una forza applicata, che può dare luogo a una deformazione elastica, reversibile, oppure a una deformazione permanente.

Gli atomi del materiale resistono alle forze esterne grazie ai legami presenti, generando una forza di reazione opposta.

Nel caso di una semplice forza di trazione, anche quando un materiale viene tirato da un'estremità, la reazione si osserva sotto forma di sollecitazione nelle due dimensioni. Pertanto, si estende in una direzione e si contrae nell'altra.

Come si misura la sollecitazione dei materiali

Non è possibile misurare direttamente la sollecitazione, perciò si misurano invece le deformazioni e le forze applicate. Per misurare la deformazione è molto importante comprendere la relazione tra deformazione e forza.

Esistono diversi metodi applicabili alla misurazione della deformazione, che può essere effettuata tramite estensimetri, celle di carico, fotoelasticità e prove a ultrasuoni.

Una volta nota l'intensità della forza, è possibile utilizzare l'equazione della sollecitazione per calcolarla. L'equazione è σ=F/A.

L'analisi della sollecitazione riguarda le forze che un oggetto può sopportare. È molto importante identificarle per poter scegliere il materiale di conseguenza.

Che cos'è la deformazione?

La deformazione misura il cambiamento che un materiale subisce sotto l'influenza di una forza esterna. Considera inoltre il livello di deformazione che si verifica in un materiale sottoposto a sollecitazione.

La deformazione è la misura della variazione di lunghezza di un materiale rispetto alla dimensione originale ed è una grandezza adimensionale.

Tipi di deformazione

Deformazione di trazione

La deformazione di trazione si verifica quando un materiale viene allungato o stirato.

Deformazione di compressione

La deformazione di compressione si verifica quando il materiale viene accorciato o compresso.

Come funziona la deformazione nei materiali

All'applicazione di una forza esterna, il materiale si deforma, e tale deformazione è la deformazione stessa. Il comportamento o la deformazione del materiale sotto sollecitazione dipende da molti fattori, come il tipo di materiale, la composizione, la direzione e l'intensità.

I materiali possono deformarsi in tre modi quando sono sottoposti a sollecitazione; sono i seguenti:

• La deformazione elastica si verifica quando un materiale si deforma sotto sollecitazione ma recupera la sua forma originale quando la sollecitazione viene rimossa.
• La deformazione plastica è una deformazione permanente e, quando la forma di un materiale cambia sotto sollecitazione, non si recupera.
• La frattura si verifica quando la sollecitazione applicata è superiore alla resistenza del materiale, il che porta a rottura o cedimento.

Come si misura la deformazione dei materiali

Esistono molti metodi per misurare la deformazione, e i più diffusi sono gli estensometri e gli estensimetri.

Entrambi sono metodi direzionali; a parte questi, altri metodi sono i sensori piezoelettrici e la correlazione digitale delle immagini.

Esempi di sollecitazione vs deformazione di diversi materiali

Ogni materiale ha una reazione diversa alla sollecitazione e alla deformazione, e questa sezione evidenzia la risposta di metalli e polimeri:

Metalli

Alcuni metalli duttili metalli come l'acciaio inossidabile e altre leghe tendono a deformarsi sotto sollecitazione. I metalli fragili, come l'acciaio ad alto tenore di carbonio, invece, sono soggetti a frattura anche in presenza di una lieve deformazione.

L'acciaio a basso tenore di carbonio, invece, si piega sotto sollecitazione fino al raggiungimento del punto di snervamento; si deforma e subisce un incrudimento.

Polimeri

Il comportamento della sollecitazione e della deformazione nei polimeri è molto vario. Un polimero fragile si deforma elasticamente, mentre se viene tirato ulteriormente può verificarsi una frattura. Questo punto rappresenta la resistenza alla trazione sotto forma di valore di sollecitazione.

Alcuni elastomeri, come la gomma, possono tornare alla loro forma originaria dopo essere stati sottoposti a sollecitazione e, se allungati fino al punto di rottura, si rompono.

Come si relazionano sollecitazione e deformazione

La sollecitazione e la deformazione sono legate tra loro in modo che l'una causa l'altra. Il modulo di Young descrive come sollecitazione e deformazione sono correlate tra loro.

Il modello elastico si riferisce alla sollecitazione applicata a un materiale, che produce una deformazione, e questa relazione è descritta anche dalla legge di Hooke. Secondo questa legge, sollecitazione e deformazione sono direttamente proporzionali tra loro, purché il materiale presenti elasticità.

Questa relazione è espressa matematicamente come segue:

La curva sollecitazione-deformazione

La relazione tra sollecitazione e deformazione comprende alcuni termini importanti che fanno parte della curva sollecitazione-deformazione, e sono i seguenti:

La regione elastica

Le regioni elastiche sono le regioni di deformazione e, nella stessa regione, i materiali tornano alla loro forma originaria quando la sollecitazione viene eliminata.

Punto di snervamento

Descrive il punto di deformazione del materiale. La sollecitazione presente in questo punto è chiamata carico di snervamento.

La regione plastica

La regione plastica è quella che inizia dopo il punto di snervamento, e la deformazione che si verifica in questa regione è permanente.

Resistenza massima alla trazione

La resistenza massima alla trazione è il limite massimo di sollecitazione sopportabile dal materiale. Questo punto sulla curva è visibile dove inizia la strizione.

Strizione

La strizione è la regione della curva sollecitazione-deformazione caratterizzata da una deformazione maggiore.

Frattura

A questo punto il materiale tende a fratturarsi.

Conclusione

La guida sopra riportata evidenzia una differenza dettagliata tra sollecitazione e deformazione e come entrambe si relazionano. Se desidera componenti lavorati con elevata precisione e senza deformazioni, può contattarci presso DEK.

Comprendiamo il principio di sollecitazione e deformazione; pertanto sceglieremo il materiale giusto con il processo giusto per le applicazioni richieste.