Deformazione
Quando è presente tensione, anche la deformazione sarà un fattore. I due tipi di deformazione saranno discussi in questo articolo.
Definizione di Deformazione
Nell'uso del metallo per scopi di ingegneria meccanica, uno stato di tensione dato solitamente esiste in un volume considerevole del materiale. La reazione della struttura atomica si manifesterà su una scala macroscopica. Pertanto, ogni volta che una tensione (per quanto piccola) viene applicata a un metallo, deve avvenire un cambiamento dimensionale proporzionale o una distorsione.
Tale cambiamento dimensionale proporzionale (intensità o grado della distorsione) è chiamato deformazione ed è misurato come l'allungamento totale per unità di lunghezza del materiale dovuto a una tensione applicata. L'equazione qui sotto illustra questa proporzione o distorsione.
dove:
ε = deformazione (in./in.)
δ = allungamento totale (in.)
L = lunghezza originale (in.)
Nota che le unità metriche SI equivalenti ai pollici sono il millimetro, il centimetro e il metro.
Tipi di Deformazione
La deformazione può assumere due forme: deformazione elastica e deformazione plastica.
Deformazione Elastica
La deformazione elastica è un cambiamento dimensionale transitorio che esiste solo mentre la tensione iniziale è applicata e scompare immediatamente alla rimozione della tensione. La deformazione elastica è anche chiamata deformazione elastica. Le tensioni applicate causano il movimento degli atomi in un cristallo dalla loro posizione di equilibrio. Tutti gli atomi sono spostati della stessa quantità e mantengono ancora la loro geometria relativa. Quando le tensioni vengono rimosse, tutti gli atomi tornano alle loro posizioni originali e non si verifica alcuna deformazione permanente.
Deformazione Plastica
La deformazione plastica (o deformazione plastica) è un cambiamento dimensionale che non scompare quando la tensione iniziale viene rimossa. Di solito è accompagnata da una certa deformazione elastica.
Il fenomeno della deformazione elastica e della deformazione plastica in un materiale sono chiamati rispettivamente elasticità e plasticità.
A temperatura ambiente, la maggior parte dei metalli ha una certa elasticità, che si manifesta non appena viene applicata la minima tensione. Di solito, possiedono anche una certa plasticità, ma questa potrebbe non diventare evidente fino a quando la tensione non è stata aumentata in modo apprezzabile. La magnitudine della deformazione plastica, quando appare, è probabilmente molto maggiore di quella della deformazione elastica per un dato incremento di tensione. I metalli tendono a mostrare meno elasticità e più plasticità a temperature elevate. Alcuni metalli puri non legati (in particolare alluminio, rame e oro) mostrano poca, se non nessuna, elasticità quando sottoposti a tensione nella condizione ricotta (riscaldata e poi raffreddata lentamente per prevenire la fragilità) a temperatura ambiente, ma mostrano una marcata plasticità. Alcuni metalli non legati e molte leghe hanno una marcata elasticità a temperatura ambiente, ma nessuna plasticità.
Lo stato di tensione appena prima che la deformazione plastica inizi ad apparire è noto come limite proporzionale, o limite elastico, ed è definito dal livello di tensione e dal valore corrispondente della deformazione elastica. Il limite proporzionale è espresso in libbre per pollice quadrato in unità imperiali, o Newton per metro quadrato in unità metriche. Per intensità di carico oltre il limite proporzionale, la deformazione consiste di deformazioni sia elastiche che plastiche.
Come menzionato in precedenza in questo articolo, la deformazione misura il cambiamento dimensionale proporzionale senza carico applicato. Tali valori di deformazione sono facilmente determinabili e cessano di essere sufficientemente accurati solo quando la deformazione plastica diventa dominante.
Quando il metallo subisce deformazione, il suo volume rimane costante. Pertanto, se il volume rimane costante mentre la dimensione cambia su un asse, allora le dimensioni di almeno un altro asse devono cambiare anche. Se una dimensione aumenta, un'altra deve diminuire. Ad esempio, una forma può cambiare da corta e larga a lunga e sottile, ma il volume rimane lo stesso. Ci sono alcune eccezioni. Ad esempio, l'indurimento da deformazione comporta l'assorbimento di energia di deformazione nella struttura del materiale, che si traduce in un aumento di una dimensione senza una diminuzione compensativa in altre dimensioni. Questo causa una diminuzione della densità del materiale e un aumento del volume.
Se un carico di trazione viene applicato a un materiale, il materiale si allungherà sull'asse del carico (perpendicolare al piano di tensione di trazione), come illustrato nell'immagine sotto (Tensione). Al contrario, se il carico è compressivo, la dimensione assiale diminuirà, come illustrato nell'immagine sotto (Compressione). Se il volume è costante, deve verificarsi una corrispondente contrazione o espansione laterale. Questo cambiamento laterale avrà una relazione fissa con la deformazione assiale. La relazione, o rapporto, tra deformazione laterale e assiale è chiamata rapporto di Poisson dal nome del suo scopritore. Di solito è simboleggiato dalla lettera ν.
Cambiamento di Forma del Cilindro Sotto Tensione
Deformazione delle Strutture Cubiche
Se un materiale può deformarsi plasticamente a basse tensioni applicate dipende dalla sua struttura reticolare. È più facile per i piani di atomi scivolare l'uno sull'altro se quei piani sono strettamente impacchettati. Pertanto, le strutture reticolari con piani strettamente impacchettati consentono una maggiore deformazione plastica rispetto a quelle che non sono strettamente impacchettate. Inoltre, le strutture reticolari cubiche consentono lo scorrimento più facilmente rispetto ai reticoli non cubici; questo è dovuto alla loro simmetria che fornisce piani strettamente impacchettati in diverse direzioni. La maggior parte dei metalli è composta da cristalli cubico a corpo centrato (BCC), cubico a facce centrate (FCC) o esagonale compatto (HCP). Una struttura cristallina cubica a facce centrate si deformerà più facilmente sotto carico prima di rompersi rispetto a una struttura cubica a corpo centrato.
Il reticolo BCC, sebbene cubico, non è strettamente impacchettato e forma metalli forti. L'α-ferro (una forma di ferro chiamata ferro 'alfa') e il tungsteno hanno la forma BCC. Il reticolo FCC è sia cubico che strettamente impacchettato e forma materiali più duttili. Argento, oro e piombo hanno una struttura FCC. Infine, i reticoli HCP sono strettamente impacchettati, ma non cubici. I metalli HCP come il cobalto e lo zinco non sono duttili quanto i metalli FCC.
Riepilogo
Le informazioni importanti in questo capitolo sono riassunte di seguito.
Riepilogo della Deformazione
- La deformazione è il cambiamento dimensionale proporzionale, o l'intensità o il grado di distorsione, in un materiale sotto tensione.
- La deformazione plastica è il cambiamento dimensionale che non scompare quando la tensione iniziale viene rimossa.
- Il limite proporzionale è la quantità di tensione appena prima del punto (soglia) in cui la deformazione plastica inizia ad apparire, o il livello di tensione e il valore corrispondente della deformazione elastica.
- Ci sono due tipi di deformazione:
La deformazione elastica è un cambiamento dimensionale transitorio che esiste solo mentre la tensione iniziale è applicata e scompare immediatamente alla rimozione della tensione.
La deformazione plastica (deformazione plastica) è un cambiamento dimensionale che non scompare quando la tensione iniziale viene rimossa.