Durezza e resistenza

Cos'è la tenacità

Latenacità è la capacità di un materiale di assorbire energia e di deformarsi plasticamente senza rompersi. È una combinazione di resistenza e duttilità, il che significa che un materiale tenace è in grado di sopportare sollecitazioni elevate e deformazioni significative prima di rompersi. La tenacità è spesso misurata dall'area sotto la curva sforzo-deformazione nella prova di trazione di un materiale, che rappresenta l'energia totale che il materiale può assorbire prima di rompersi. Viene comunemente misurata injoule (J) o in libbre-forza-pollici (lbf-in).

Durezza vs. Tenacità

La durezza e latenacità si riferiscono alla resistenza alla deformazione di un materiale, ma rappresentano proprietà diverse:

- Ladurezza è la capacità di un materiale di resistere a una deformazione plastica localizzata, in genere dovuta a un'incisione o a un graffio. I materiali duri possono resistere all'usura superficiale e all'abrasione.

-La tenacità, invece, si riferisce alla capacità di un materiale di assorbire l'energia dell'impatto e di deformarsi plasticamente senza rompersi. Un materiale duro non è necessariamente duro e un materiale duro può non essere necessariamente resistente.

Ad esempio, le ceramiche sono spesso molto dure ma non resistenti, in quanto sono fragili e soggette a rottura in caso di impatto. I metalli, come l'acciaio, tendono a essere più duri della ceramica, cioè possono resistere alla forza e all'impatto senza rompersi.

Durezza e resistenza

Laresistenza si riferisce alla capacità di un materiale di sopportare una forza applicata senza rompersi o deformarsi in modo permanente. La tenacitàè diversa dalla resistenza in quanto misura quanta energia il materiale può assorbire durante la deformazione prima di rompersi. Un materiale può avere un'alta resistenza ma una bassa tenacità, come alcuni materiali fragilicome la ghisa, oppure può avere un'alta tenacità e una bassa resistenza, come alcuni metalli duttili.

Ad esempio:

• Acciaio: alcuni tipi di acciaio sono progettati per avere un'elevata resistenza e tenacità, il che li rende adatti alle applicazioni edilizie e automobilistiche.
• Ghisa: pur essendo forte in compressione, la ghisa è fragile e ha una bassa tenacità, il che significa che è incline a rompersi in caso di tensione o impatto.

Fattori che influenzano la tenacità dei metalli

1.Temperatura:

• A basse temperature, molti metalli diventano fragili e perdono tenacità, diventando più suscettibili alla frattura. Per questo motivo i materiali utilizzati nei climi freddi, come l'acciaio per le condutture o gli aerei, sono spesso trattati specificamente per garantire la tenacità alle basse temperature.
• Anche lealte temperature possono influire sulla tenacità, ma i materiali possono diventare più duttili e meno soggetti a fratture.

2.Struttura del grano:

• I materiali con strutture a grana fine tendono ad avere una maggiore tenacità perché i grani più piccoli creano più ostacoli per le dislocazioni (spostamenti microscopici nel reticolo cristallino del materiale), il che aiuta il materiale ad assorbire più energia prima di rompersi.

3.Elementi di lega:

• L'aggiunta di elementi di lega come carbonio, nichel e cromo può migliorare la tenacità di un materiale. Ad esempio, l'aggiunta di nichel all'acciaio ne aumenta la tenacità, soprattutto a basse temperature.

4.Trattamento termico:

• I processi di trattamento termico, come la tempra e il rinvenimento, possono migliorare la tenacità modificando la microstruttura del metallo. Ad esempio, l'acciaio martensitico temprato presenta un migliore equilibrio tra tenacità e resistenza rispetto alla martensite non trattata.

5.Velocità di deformazione:

• Un'elevata velocità di deformazione (applicazione rapida delle sollecitazioni) può ridurre la tenacità, rendendo i materiali più soggetti a fratture da impatto. I materiali sottoposti a sollecitazioni lente e graduali sono generalmente più tenaci.

Applicazioni che richiedono un'elevata tenacità

I materiali ad alta tenacità sono essenziali nei settoriin cui i cedimenti dovuti a urti o sollecitazioni sono catastrofici. Alcune applicazioni chiave sono:

• Aerospaziale: i materiali per aeromobili devono resistere a condizioni di stress elevato e a forze di impatto senza rompersi.
• Automotive: i componenti delle automobili, come paraurti, telai e sospensioni, sono progettati con un'elevata resistenza per assorbire l'energia d'impatto durante gli incidenti.
• Edilizia: l'acciaio strutturale utilizzato negli edifici e nei ponti deve essere sufficientemente resistente per gestire i carichi dinamici, tra cui il vento e le forze sismiche.
• Attrezzature sportive: Caschi, protezioni e altre attrezzature sportive sono progettati con un'elevata resistenza per assorbire gli impatti e proteggere l'utente.
• Militari: i rivestimenti delle armature e le strutture dei veicoli necessitano di un'elevata tenacità per sopravvivere a forze d'urto estreme.

Durezza e resistenza nei metalli comuni

Per ulteriori informazioni, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Domande frequenti

Qual è la differenza tra tenacità e duttilità?

Laduttilità è la capacità di un materiale di deformarsi sotto sforzo di trazione, mentre la tenacità è la sua capacità di assorbire energia e deformarsi senza fratturarsi. La duttilità contribuisce alla tenacità, ma non sono la stessa proprietà.

La durezza può influenzare la tenacità?

Sì, un aumento della durezza spesso porta a una diminuzione della tenacità. I materiali duri, come la ceramica o l'acciaio temprato, sono più inclini a rompersi in caso di urti o sollecitazioni improvvise, il che li rende meno tenaci.

L'elevata tenacità è sempre auspicabile?

L'elevata tenacità è essenziale nelle applicazioni in cui i materiali devono resistere agli urti o alle sollecitazioni estreme, come nell'industria aerospaziale e automobilistica. Tuttavia, alcune applicazioni, come gli utensili da taglio, privilegiano la durezza rispetto alla tenacità.

Come influisce la temperatura sulla tenacità?

A basse temperature, la maggior parte dei metalli diventa più fragile, riducendo la tenacità. Anche le alte temperature possono influire sulla tenacità, a seconda del materiale, rendendolo più duttile o, in alcuni casi, più incline al rammollimento.

Perché la tenacità è importante nelle costruzioni?

La tenacità è fondamentale nelle costruzioni perché garantisce che i materiali possano assorbire carichi dinamici e impatti, come quelli causati da terremoti, vento o macchinari pesanti, senza cedere in modo catastrofico.