Determinare le sollecitazioni sperimentali

Lo sforzo è la risposta fisica dei materiali alla forza. Solitamente si ottiene in conseguenza ad una forza applicata (sforzo meccanico), che provoca la deformazione del materiale, ma è anche spesso dovuta agli effetti della forza all’interno di un materiale o di un sistema più grande.

Gli sforzi si suddividono come segue:

  1. Tipo: sforzi normali o da taglio
  2. Origine: tensione, compressione, piegamento, torsione, sforzi residui e termici
  3. Stato: monoassiale, biassiale, triassiale o spaziale.

Inoltre, gli sforzi relativi all’origine sono classificati come sforzi normali e da taglio (se si considera la forza dei materiali, il tipo di di sforzo è interessante indipendentemente dalla causa che lo provoca). Gli sforzi possono anche essere suddivisi in base agli stati, come descritto sopra.

Definizione di sforzo sulla base del tipo e dell’origine

Diversamente da altri sforzi solitamente denominati in base all’origine, ad es. sforzo di flessione, sforzo di torsione, ecc., lo sforzo di trazione (positivo) e lo sforzo di compressione (negativo) avvengono senza coinvolgere forze esterne. Tra questi vi sono gli sforzi normali e da taglio.

Lo sforzo residuo (o sforzo inerente) può verificarsi per via degli effetti interni della forza, ad es.:

  • Dai cambiamenti di volume disomogenei nelle parti trattate a caldo durante l’indurimento dell'acciaio,
  • con un raffreddamento disomogeneo della ghisa o del metallo fuso a iniezione o degli oggetti plastici,
  • con parti saldate o forgiate, con lavorazione meccanica,
  • con oggetti più grandi, semplicemente per effetto del loro stesso peso.

Lo sforzo termico è un tipo di sforzo residuo che si verifica nei sistemi, dove si uniscono componenti con diverse espansioni termiche in modo da evitare una libera espansione termica. Può anche verificarsi in seguito ad un riscaldamento non uniforme.

Gli sforzi residui e termici agiscono sul materiale in modo simile agli sforzi da carico. Riducono la capacità di resistenza al carico del materiale grazie alle forze applicate esternamente. Alle domande relative alla sicurezza operativa dei componenti strutturali si può quindi rispondere correttamente solo se si conoscono gli sforzi residui dal punto di vista quantitativo e qualitativo. La determinazione di questi sforzi è possibile solo con metodi pratici normali quando vengono “rilasciati” e viene misurato il grado di rilassamento elastico mostrato dal materiale in condizioni non sotto sforzo. Il rilascio di questi sforzi può avvenire in diversi modi, come con il metodo di foratura o con il metodo della carotatura anulare.

Definizione di sforzo sulla base dello stato

Gli stati dello sforzo sono suddivisi come segue:

1. Uniassiale: Solo in barre di trazione e compressione.

2. Biassiale o planare: Si verifica se le forze che producono gli sforzi agiscono su due assi perpendicolari l’uno dall'altro. La risoluzione delle direzioni effettive delle forze sui due assi principali a 90° viene eseguita su base teorica. Le direzioni effettive di diverse forze che agiscono sullo stesso piano ma ad angolazioni diverse possono essere molto diverse. Comunque possono anche sempre essere risolte nelle due direzioni principali.

3. Triassiale o tridimensionale: È presente quando le forze possono agire in qualunque direzione. Simile allo stato di sforzo planare, sono definiti tre assi principali, tutti perpendicolari gli uni rispetto agli altri.

Le misurazioni delle sollecitazioni sono limitate per via della necessità dei componenti strutturali di superfici accessibili, di conseguenza possono fornire informazioni soltanto sullo stato dello sforzo sulla superficie del componente.

Mentre gli stati monoassiali e planari possono essere analizzati in modo relativamente semplice con le tecniche di misurazione delle sollecitazioni, in particolare con gli estensimetri, gli stati di sforzo tridimensionale presentano problemi, in quanto le misurazioni necessarie lungo il terzo asse, ad es. dentro l’oggetto, solitamente non sono possibili. Ad ogni modo, in un corpo tridimensionale sotto sforzo per via di forze esterne, lo sforzo massimo si ha sulla superficie! (Eccezione: problemi sull'effetto Hertz)

Per i progettisti, solitamente interessati solo agli sforzi massimi, la determinazione degli sforzi sulla superficie è sufficiente. I processi interni sono meno significativi.

Gli stati di sforzo tridimensionale possono essere analizzati con la misurazione delle sollecitazioni soltanto se la deformazione può essere misurata lungo il terzo asse, ovvero nella profondità dell’oggetto. Lo si riscontra ad esempio nelle tecniche di misurazione dei modelli in cui gli estensimetri possono essere fusi in modelli plastici. È anche possibile nell’ingegneria civile, dove gli strumenti di misurazione della deformazione possono essere immersi nel calcestruzzo durante la colata.

Ricavare lo sforzo dalla misurazione delle deformazioni

Gli sforzi meccanici non sono accessibili per la misurazione diretta. Le tecniche che impiegano i raggi X sono un’eccezione nel caso in cui le sollecitazioni dei materiali nell’intervallo microscopico possono essere determinate dalle distorsioni nella struttura a reticolo cristallino, ad es. dalle mutazioni relative nella separazione interatomica. Il processo è limitato agli strati vicini alla superficie con profondità di circa 5 - 15 μm.

Gli sforzi sono calcolati secondo la teoria della forza dei materiali oppure effettuando misurazioni con estensimetro. Il secondo metodo si basa sulla legge di Hooke.

Lo sforzo meccanico è espresso dal quoziente della forza F e l'area trasversale A del materiale sottoposto a sforzo:

              

Apprendete maggiori informazioni sulla legge di Hooke qui.


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