Lo stress nella scienza dei materiali

Introduzione

Nella scienza dei materiali, la sollecitazione si riferisce alla forza applicata a un materiale per unità di superficie. È un concetto fondamentale per capire come i materiali rispondono alle forze esterne e svolge un ruolo cruciale nel determinare la capacità di un materiale di resistere a diversi tipi di condizioni di carico senza cedimenti. La sollecitazione è un fattore chiave nella progettazione di materiali e strutture per garantirne la resistenza, la durata e le prestazioni in diverse condizioni.

Definizione di sollecitazione

Lasollecitazione è matematicamente definita come la forza F applicata a un oggetto divisa per l'area della sezione trasversale A su cui la forza è applicata:

Sollecitazione(σ)=F/A

Dove:

• F è la forza applicata (in Newton, N)
• A è l'area della sezione trasversale (in metri quadrati, m²)
• σ è la sollecitazione, misurata in Pascal (Pa) o Newton per metro quadro (N/m²).

Nella scienza dei materiali esistono due tipi principali di sollecitazione: la sollecitazione normale e la sollecitazione di taglio.

1.Sollecitazione normale: Si verifica quando la forza è applicata perpendicolarmente alla superficie, in tensione o in compressione.

• Sollecitazione di trazione: Quando un materiale viene strappato (ad esempio, l'allungamento di un filo).
• Sollecitazione di compressione: Quando un materiale viene compresso (ad esempio, stringendo una colonna).

2.Sollecitazione di taglio: si verifica quando una forza viene applicata parallelamente alla superficie, facendo scivolare gli strati del materiale l'uno rispetto all'altro. Ad esempio, tagliando un pezzo di metallo con una forza di taglio.

Tipi di sollecitazione nei materiali

Sollecitazione di trazione:

La sollecitazione di trazionesi verifica quando un materiale è sottoposto a una forza di trazione. Essa provoca l'allungamento o lo stiramento del materiale. l Esempio: la tensione di trazione si verifica quando un materiale è sottoposto a una forza di trazione.

lEsempio: Un elastico che viene allungato.

Sollecitazione di compressione:

l Lasollecitazione di compressionesi verifica quando un materiale è sottoposto a una forza di compressione, che porta all'accorciamento o alla compressione del materiale. l Esempio: un elastico che viene allungato.

l Esempio: Un pilastro che sostiene il peso di un edificio.

Sollecitazione di taglio:

l Lasollecitazione di tagliosi verifica quando due forze opposte vengono applicate parallelamente alla superficie, provocando una deformazione sotto forma di scorrimento. l Esempio: un pilastro che sostiene il peso di un edificio.

l Esempio: Le forbici che tagliano la carta.

Sollecitazione di flessione:

lLa sollecitazione di flessioneè una combinazione di sollecitazioni di trazione e di compressione che si verificano quando un materiale viene piegato.

l Esempio: Una trave che sostiene un carico al centro.

Fattori che influenzano le sollecitazioni

Diversi fattori possono influenzare le sollecitazioni subite da un materiale, tra cui:

-Proprietà del materiale: La resistenza, la duttilità e l'elasticità di un materiale influenzano la sua risposta alle sollecitazioni. Ad esempio, i metalli tendono a essere più duttili sotto sforzo di trazione, mentre la ceramica può cedere più facilmente.

-Temperatura: Le temperature elevate possono indebolire i materiali, riducendo la loro capacità di resistere alle sollecitazioni prima di deformarsi o rompersi.

-Condizioni di carico: La velocità e la durata dei carichi applicati possono influire sulla risposta del materiale alle sollecitazioni. Ad esempio, un materiale potrebbe cedere sotto un carico elevato applicato rapidamente, ma resistere alla stessa sollecitazione se applicato lentamente nel tempo.

Relazione tra sforzo e deformazione

Le sollecitazioni e le deformazioni sono direttamente correlate al modulo di elasticità di un materiale. La curva sforzo-deformazione descrive come un materiale si deforma a vari livelli di sollecitazione. Le regioni chiave della curva sforzo-deformazione sono:

1.Regione elastica: In questa regione, il materiale ritorna alla sua forma originale una volta rimossa la sollecitazione. La relazione tra sollecitazione e deformazione è lineare.

2.Regione plastica: Una volta raggiunto il punto di snervamento, il materiale subisce una deformazione permanente.

3.Punto di frattura: al di là dello sforzo di trazione massimo, i materiali finiscono per rompersi o fratturarsi.

Applicazioni delle sollecitazioni nella scienza dei materiali

-Ingegneria strutturale: La comprensione delle sollecitazioni è essenziale nella progettazione di edifici, ponti e altre strutture per garantire che possano resistere a forze come il peso, il vento e i terremoti senza cedimenti.

-Produzione: In processi come la fusione, la forgiatura e la saldatura, gli ingegneri devono tenere conto delle sollecitazioni per evitare la deformazione o il cedimento del materiale durante la produzione.

-Selezione dei materiali: I diversi materiali hanno capacità diverse di resistere alle sollecitazioni. Ad esempio, materiali come l'acciaio sono utilizzati nelle costruzioni per la loro capacità di resistere a elevate sollecitazioni di trazione e compressione.

-Analisi della fatica e dei guasti: I cicli di sollecitazione ripetuti possono causare l'indebolimento e il cedimento dei materiali nel tempo. La comprensione delle sollecitazioni aiuta a prevedere la fatica dei materiali e a prevenire i guasti in componenti come le ali degli aerei e le parti dei motori.

- Perulteriori informazioni, consultare il sito Stanford Advanced Materials (SAM).

Domande frequenti

Qual è la differenza tra sollecitazione di trazione e di compressione?

Lasollecitazione di trazione si verifica quando un materiale viene tirato o allungato, provocando un allungamento. La sollecitazione di compressione si verifica quando un materiale viene spinto o compresso, provocando un accorciamento o uno schiacciamento.

Come influisce la temperatura sulle sollecitazioni dei materiali?

Le temperature più elevate indeboliscono generalmente i materiali, riducendone la forza e la capacità di resistere alle sollecitazioni. Alcuni materiali possono diventare più duttili e deformarsi facilmente, mentre altri possono diventare fragili e cedere più rapidamente.

Che cos'è il punto di snervamento nella curva sforzo-deformazione?

Il punto di snervamento è il livello di sollecitazione al quale un materiale inizia a deformarsi plasticamente e non può tornare alla sua forma originale una volta rimossa la sollecitazione. Oltre questo punto si verifica una deformazione permanente.

Perché la comprensione delle sollecitazioni è importante nell'ingegneria strutturale?

Gli ingegneri devono comprendere le sollecitazioni per garantire che edifici, ponti e altre strutture possano resistere a forze esterne come il peso, il vento e l'attività sismica senza crollare o subire cedimenti.

Che cos'è la fatica nei materiali e come è correlata alle sollecitazioni?

Perfaticasi intende l'indebolimento di un materiale dovuto a sollecitazioni ripetute o cicliche nel tempo. Anche livelli di sollecitazione inferiori alla resistenza ultima del materiale possono causare cedimenti se applicati in modo continuo o ciclico.