Prova di trazione

Svolgimento di una prova di trazione

Macchinario utilizzato per svolgere prove di resistenza sui materiali

In scienza dei materiali, la prova di trazione (o prova di trazione uniassiale) è una prova di caratterizzazione dei materiali che consiste nel sottoporre un provino di dimensioni standard (normale) di un materiale in esame ad un carico F monoassiale inizialmente nullo che viene incrementato fino a un valore massimo che determina la rottura del materiale.

La prova di trazione serve a determinare diverse caratteristiche del materiale in esame, tra cui la resistenza meccanica (Rm), il modulo di Young o modulo di elasticità (E), il carico unitario di snervamento(YS, "yield strenght"), l'allungamento percentuale (A%, "elongation"), la strizione percentuale (Z%, "reduction of area"). La si usa soprattutto per materiali metallici e polimerici.

Sforzo e deformazione

La macchina utilizzata per la prova di trazione fornisce direttamente un diagramma, detto diagramma sforzo-deformazione, che mette in relazione i "carichi unitari" o "sforzi" (σ) in funzione degli "allungamenti unitari" o "deformazioni" (ε).

Il carico unitario σ è pari a:

$\sigma =F/A_{0}$

con

• F è il carico applicato;
• A₀ è l'area iniziale della sezione del provino.

L'allungamento unitario ε è invece pari a:

$\varepsilon =\Delta L/L_{i}=(L_{f}-L_{i})/L_{i}$

in cui:

• L_f è la lunghezza finale del provino (variabile) ottenuta dall'allungamento del provino;
• L_i è la lunghezza iniziale del provino.

Forma e dimensioni dei provini

Esempi di provini cilindrici (a sinistra) e piatti (a destra).

I provini utilizzati per la prova di trazione possono essere a sezione cilindrica oppure piatti. Per i materiali metallici si usano provini a sezione circolare, mentre per i materiali polimerici si usano provini a sezione rettangolare. In ogni caso i provini sono provvisti di due estremità che servono per l'ammorsaggio alla macchina (dette "teste del provino"), per cui la lunghezza utile del provino (sulla quale si svolgono le misurazioni di deformazione) è minore della sua lunghezza totale.

Le teste del provino possono essere "quadre", "filettate" o "a spillo".

La forma (detta "a doppio T" o "a osso di cane") e le dimensioni dei provini sono standardizzate per ogni tipologia di materiale.

La geometria del provino è studiata in modo tale che si abbia rottura nella zona centrale dello stesso, in quanto vicino alle ganasce non si ha una forza uniassiale, ma entrano in gioco anche le forze applicate dalle ganasce che fissano il provino. Nella zona centrale del provino l'area della sezione è minore di quella nella zona più larga, ciò consente di ottenere uno sforzo maggiore nella zona centrale a parità di forza applicata, e quindi ottenere rotture in quel punto.

Esempi di ammorsaggio dei provini con diverse tipologie di teste.

Procedura operativa

Si fissa il provino tra due morsetti in posizione verticale (in modo tale che la forza di gravità non influisca sulla prova). I morsetti stringono il provino nella zona larga. Una ganascia comincia a spostarsi a velocità costante, impostata tramite computer; comincia a nascere uno stato di sforzo nel materiale e si genera una forza crescente, opposta alla direzione della traversa della macchina. Si impone lo stop alla macchina quando il provino si rompe oppure quando la traversa si è spostata di una distanza prefissata.

Sulla macchina è presente una cella di carico che misura istante per istante la forza applicata al provino sul quale inoltre è applicato un estensimetro, che misura l'allungamento.

Grazie all'estensimetro e alla cella di carico, si ottengono valori di sforzo e deformazione a intervalli di tempo costanti ottenendo quindi un diagramma sforzo-deformazione.

Risposta del materiale alla sollecitazione

Diagramma sforzo-deformazione ottenuto dalla prova di trazione

Fasi di rottura del provino:
1) Strizione
2) Formazione delle microcricche
3) Coalescenza delle microcricche
4) Rottura

Durante la prova di trazione il provino passa attraverso le seguenti fasi:

• comportamento elastico: corrisponde alla prima fase di deformazione del materiale; le deformazioni che avvengono durante questa fase sono reversibili, per cui se in questa fase si riporta a zero il carico non si hanno deformazioni residue del provino, cioè viene ripristinata la sua lunghezza iniziale; in questa fase gli allungamenti sono direttamente proporzionali ai carichi (per cui nel diagramma sforzo-deformazione è rappresentata da un tratto rettilineo) e il rapporto è pari ad una costante che viene detta modulo di Young; in questo tratto è valida la legge di Hooke;
• continuando la prova di trazione, si ha un comportamento non più lineare; questa fase è detta "snervamento" e corrisponde ad una caduta della resistenza del materiale dovuta alla formazione di "microcricche" all'interno del materiale; lo snervamento corrisponde alla parte iniziale del tratto plastico;
• comportamento plastico: in questa fase le deformazioni sono sia elastiche (reversibili) che plastiche (permanenti); ciò significa che azzerando il carico durante questa fase si hanno deformazioni residue associate al contributo di deformazione plastica, per cui il provino avrà una lunghezza maggiore rispetto all'inizio della prova;
• continuando la prova, si assiste ad una deformazione localizzata del provino, per cui una piccola parte del provino diminuisce velocemente l'area della sua sezione; questa fase è detta "strizione" e caratterizza la parte discendente del diagramma sforzo-deformazione;
• in seguito alla strizione si ha la rottura del provino, che avviene in corrispondenza del cosiddetto "carico di rottura", che corrisponde alla massima sollecitazione che il provino può sopportare.

Calcolo della sezione finale reale

Disegno di un provino utilizzato per le prove di trazione.

Il volume del provino resta invariato, quindi il volume iniziale $V_{0}$ è uguale a quello finale $V_{f}$:

$V_{0}=V_{f}=V$

essendo il volume $V$ del provino dato dal prodotto della sezione $A$ per la lunghezza $L$, ovvero:

$V=A_{0}\cdot L_{0}=A_{f}\cdot L_{f}$

Quindi la sezione finale sarà data da:

$A_{f}={\frac {V}{L_{f}}}$

essendo la lunghezza finale L_f pari alla somma della lunghezza iniziale L₀ e dell'allungamento ΔL, ovvero:

$L_{f}=L_{0}+\Delta L$

da cui, sostituendo nell'espressione precedente:

$A_{f}={\frac {V_{0}}{L_{0}+\Delta L}}$

per cui noti il volume del provino, la lunghezza iniziale del provino (che si misura prima della prova di trazione) e l'allungamento (che si misura alla fine della prova a trazione) è possibile determinare l'area finale della sezione (ovvero a deformazione avvenuta).

Curva reale di trazione

Confronto tra la curva ideale di trazione (A) e la curva reale di trazione (B).

La curva reale di trazione riporta in ascissa la "deformazione reale" e in ordinata lo "sforzo reale".

La deformazione reale ε_r è pari a:

ε_r = ln(L/L₀)

essendo L la lunghezza finale (a deformazione avvenuta) del tratto utile e L₀ la lunghezza iniziale del tratto utile.

Lo sforzo reale σ_r è pari al rapporto tra la forza applicata F e l'area resistente effettiva del provino A (che diminuisce man mano che la prova procede):

σ_r = F/A

A differenza della curva ideale di trazione, nella curva reale di trazione lo sforzo è sempre crescente

Bibliografia

• (EN) Joseph R. Davis, Tensile testing, 2ª ed., ASM International, 2004, ISBN 0-87170-806-X.

Voci correlate

• Carico ammissibile
• Modulo di elasticità
• Trazione (fisica)
• Deformazioni elastiche e plastiche

Altri progetti

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• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su prova di trazione

Collegamenti esterni

• La prova di trazione (PDF), bomet.fci.unibo.it.
• Comportamento meccanico dei materiali (PDF), ing.unitn.it.
• Video: Prova di trazione, youtube.com.