Caratteristiche Meccaniche - Introduzione

Viene qui introdotto il tema della resistenza meccanica da un punto di vista generale.
Per visualizzare i valori specifici a seconda del tipo di lega, tempra, spessore o altri parametri, cliccate sui singoli argomenti.

Le caratteristiche di resistenza di ogni lega sono comunque riportate nelle relative schede tecniche.

Carico di snervamento
Quando un materiale è sollecitato sotto un carico minore del suo carico di snervamento, si deforma in misura proporzionale al carico, e ritorna alla sua forma originale quando il carico è rimosso. Se caricato oltre il suo carico di snervamento, allora il materiale si deforma in proporzione maggiore rispetto al carico, e non torna più alla sua forma iniziale quando il carico è rimosso.

Al contrario dell'acciaio, lo scostamento dalla proporzionalità nelle leghe di alluminio non è netto e improvviso. La definizione standard, quindi, precisa che il carico di snervamento convenzionale è definito come la sollecitazione che provoca, nella curva sforzo/deformazione, uno scostamento dalla proporzionalità dello 0,2% della lunghezza iniziale. Questo è chiamato carico di prova dello 0,2%, abbreviato in Rp0,2.

Carico di rottura
Il carico di rottura Rm di un materiale è il carico massimo che esso può sopportare senza rompersi. Pezzi di materiali duttili, testati con prove di trazione, di solito sviluppano una strizione localizzata e il carico diminuisce prima che essi si rompano.

Gli standard definiscono chiaramente i metodi per misurare le tensioni interne.

Proprietà elastiche
A 70.000 MPa il coefficiente di elasticità dell'alluminio è un terzo di quello dell'acciaio. La sua deformazione elastica sotto un carico dato è perciò maggiore che nell'acciaio.

Se un componente in alluminio ne sostituisce uno d'acciaio delle stesse dimensioni e forza, la sua deformazione elastica sarà tre volte maggiore di quella dell'acciaio. Questa rigidità relativamente bassa è spesso un vantaggio: in caso di sollecitazione d'urto, l'alluminio può assorbire più energia in maniera elastica, senza danni permanenti.

Per ottenere la stessa rigidità dell'acciaio è necessario adattare le dimensioni del componente per l'alluminio. Comunque è solito un aumento di peso del 50% per ottenere la stessa rigidità nell'alluminio.

Il coefficiente di torsione dell'alluminio è 26.000 MPa e il suo coefficiente di Poisson è 0,33. Come il coefficiente di elasticità queste cifre variano poco tra le comuni leghe di alluminio trattate.

Allungamento
L'allungamento di un pezzo rotto testato con prove di elasticità è una misura convenzionale della duttilità. Comunque non è un criterio sufficiente per giudicare la predisposizione del materiale per le varie operazioni di forming. Esistono diversi altri test per il forming di lamine di metallo, ad esempio.

L'allungamento è l'aumento di lunghezza quando le metà del pezzo rotto testato vengono ricomposte, espresso come percentuale di una lunghezza base definita dal tratto utile. Ci sono due fasi di allungamento: in primo luogo l'allungamento uniforme, mentre il carico aumenta; e in secondo luogo l'allungamento con strizione mentre il carico diminuisce. L'allungamento totale dopo la rottura è la somma delle due componenti. Dato che la componente con strizione è localizzata, appare come una diversa percentuale secondo la lunghezza base scelta. La lunghezza base scelta deve quindi essere sempre specificata. (A5, A50, A80 ecc.)

I valori di allungamento per le leghe in alluminio possono variare da meno del 3% per materiale con incrudimento, fino a più del 35% per un materiale ricotto. Leghe trattate con invecchiamento (tempra T6) hanno solitamente un allungamento dell'8% circa alla rottura.

Sollecitazione di compressione

Non è facile misurare la resistenza alla pura compressione di un materiale duttile come l'alluminio. La deformazione spesso limita il carico che una struttura può sopportare; la pura deformazione per compressione è rara in pratica.

Per la maggior parte delle applicazioni strutturali la resistenza è considerata la stessa sia nella compressione che nella tensione. Prodotti fusi e forgiati hanno resistenza alla trazione più bassa della resistenza alla compressione. L'operazione di allungamento che è comune per lamine da spianare ed estrusioni tende a far aumentare leggermente il carico di trazione e a far diminuire il carico di compressione nella direzione dell'allungamento.

Fatica
Vibrazioni ripetute o cicli di carico possono portare alla rottura di uno strumento a causa dello sforzo, anche se il livello di sollecitazioni è molto minore del carico di resistenza del materiale. Cricche da fatica si formano più rapidamente a più alti livelli di carico e a più grandi oscillazioni nel carico. La sollecitazione di trazione è più dannosa di quella di compressione.

A differenza dell'acciaio le leghe in alluminio non mostrano un carico di fatica limite al di sotto del quale non viene evidenziata la fatica. Il progettista di componenti sollecitate dinamicamente deve perciò mantenere i carichi al di sotto del limite di fatica per il numero di cicli, per l'intera durata di vita prevista per il componente.

Il comportamento di un componente o di una struttura a fatica dipende grandemente dalla sua forma, dalle sue dimensioni e dalla sua finitura superficiale. Il progettista deve tenere conto di tutti questi fattori dall'inizio. Zone di concentrazione di sforzi si troveranno a seconda della forma e del carico sul componente. I meccanismi di generazione di cricche dipendono dalla finitura e dal trattamento superficiali.

Tenacità e resistenza alla propagazione di cricche che portano alla rottura
La tenacità è l'abilità di resistere a rotture per fragilità. Esperimenti sulla durezza solitamente comprendono la misurazione dell'energia assorbita quando un campione si rompe.

Una tendenza corrente nella progettazione è dimensionare i componenti e le strutture in modo che queste possano resistere ad un probabile danneggiamento. Comunque, con una buona conoscenza delle leggi che governano la generazione di una cricca e la sua crescita, i componenti possono essere progettati per tollerare piccole cricche. In questo caso, con il componente operante a un dato carico, le cricche non si propagheranno in modo catastrofico prima che ci sia la possibilità di diagnosticare e riparare il danno.

In pratica, il progettista suppone che il componente contenga già delle cricche. Queste potrebbero essere derivate da difetti nel materiale di partenza, o potrebbero essersi presentate durante la fabbricazione o in servizio.

Supponendo che ci siano cricche così piccole da essere difficilmente individuabili, queste potrebbero ovviamente crescere in servizio, e raggiungere infine una dimensione che potrebbe causare un'improvvisa rottura. Comunque, ci sono delle regole di progettazione chiare per scegliere la geometria del componente, il materiale e il massimo carico di progetto in modo da limitare il grado di crescita della cricca. Metodi classici per l'effettuazione di test non distruttivi possono dunque individuare le cricche ben prima che raggiungano la dimensione critica.

Per determinare la tenacità di un materiale, o più precisamente, le sue caratteristiche di crescita delle cricche, è necessario un gran numero di test. La teoria della meccanica di frattura è piuttosto complessa e utilizza un fattore K (fattore di intaglio a fatica) ben noto ai progettisti, che relaziona il carico ad una lunghezza di cricca critica. Quando egli conosce il valore critico di K (Kc), il progettista può prevenire la propagazione della cricca in un componente o in una struttura.

Leghe di alluminio ad alta resistenza sono note per avere minor tenacità dell'acciaio di simile resistenza. In generale, la tenacità di un materiale diminuisce come la sua resistenza aumenta. L'effettiva tenacità di un componente dipende anche dal suo spessore. Questa è una considerazione particolarmente importante nella costruzione che utilizza lamine spesse. Con uno spessore che aumenta, la tenacità diminuisce a un certo valore minimo, che poi resta costante (situazione di sforzo piano). Ci sono metodi di verifica standard per misurare direttamente il fattore di intensificazione degli sforzi critico (KIc), nello sforzo piano ASTM E399 e ASTM B645.

Com'è già stato accennato, la tenacità tende a diminuire con l'aumentare della resistenza. Leghe di alluminio della serie 7000 sviluppano la loro massima resistenza nella condizione T6, che quindi ha una tenacità relativamente bassa. Tempre con invecchiamento, come T73, offrono al progettista una miglior tenacità, se egli può accettare la loro minor resistenza.