Stress
Ogni componente, sia esso semplice o complesso, deve trasmettere o sostenere un carico meccanico di qualche tipo. Il carico può essere uno dei seguenti: un carico applicato costantemente (carico "morto"); un carico che varia, con cambiamenti lenti o rapidi di magnitudine (carico "vivo"); un carico applicato improvvisamente (carico di "shock"); o un carico dovuto a un impatto. Lo stress è una forma di carico che può essere applicata a un componente.
Definizione di Stress
Quando un metallo è sottoposto a un carico (forza), viene distorto o deformato, indipendentemente dalla forza del metallo o dalla leggerezza del carico. Se il carico è piccolo, la distorsione probabilmente scomparirà quando il carico viene rimosso. L'intensità, o grado, di distorsione è conosciuta come deformazione. Se la distorsione scompare e il metallo ritorna alle sue dimensioni originali al momento della rimozione del carico, la deformazione è chiamata deformazione elastica. Se la distorsione persiste e il metallo rimane deformato, il tipo di deformazione è chiamato deformazione plastica. La deformazione è discussa in maggior dettaglio in un altro articolo di saVRee.
Quando un carico è applicato al metallo, la struttura atomica stessa è deformata, essendo compressa, deformata o estesa nel processo. Gli atomi che compongono un metallo sono disposti in un certo schema geometrico, specifico per quel particolare metallo o lega, e sono mantenuti in quel pattern da forze interatomiche. Quando sono così disposti, gli atomi sono nel loro stato di energia minima e tendono a rimanere in quell'assetto. Deve essere fatto un lavoro sul metallo (cioè, deve essere aggiunta energia) per distorcere il pattern atomico (il lavoro è uguale alla forza moltiplicata per la distanza che la forza percorre).
Lo stress è la resistenza interna, o controforza, di un materiale agli effetti distorsivi di una forza o carico esterno. Queste controforze tendono a riportare gli atomi alle loro posizioni normali. La resistenza totale sviluppata è uguale al carico esterno. Questa resistenza è conosciuta come stress.
Anche se è impossibile misurare direttamente l'intensità di questo stress, il carico esterno e l'area a cui è applicato possono essere misurati. Lo stress (σ) può essere calcolato come il carico per unità di area o la forza (F) applicata per area della sezione trasversale (A) perpendicolare alla forza, come mostrato nell'equazione sottostante.
dove:
σ = stress (psi o libbre di forza per in.2)
F = forza applicata (lbs)
A = area della sezione trasversale (in.2)
Nota
L'unità imperiale di forza è la libbra-forza (lbf), che è diversa dalla libbra-massa (lb) a seconda dell'effetto della gravità. Sul pianeta Terra, la libbra-forza è quasi esattamente la stessa della libbra-massa. Per semplicità, le unità di libbra-massa (lb) saranno utilizzate per tutti i calcoli mostrati.
L'unità SI metrica di forza è il Newton. Lo stress è espresso in Newton per metro quadrato (N/m2).
Tipi di Stress
Gli stress si verificano in qualsiasi materiale che è soggetto a un carico o a qualsiasi forza applicata. Ci sono molti tipi di stress, ma possono essere generalmente classificati in una delle sei categorie: stress residui, stress strutturali, stress di pressione, stress di flusso, stress termici e stress da fatica.
Stress Residui
Gli stress residui sono dovuti ai processi di fabbricazione che lasciano stress in un materiale. La saldatura lascia stress residui nei metalli saldati.
Stress Strutturali
Gli stress strutturali sono stress prodotti nei membri strutturali a causa dei pesi che supportano. I pesi forniscono i carichi. Questi stress si trovano nelle fondamenta degli edifici e nei telai, così come nelle parti delle macchine.
Stress di Pressione
Gli stress di pressione sono stress indotti nei recipienti contenenti materiali pressurizzati. Il carico è fornito dalla stessa forza che produce la pressione.
Stress di Flusso
Gli stress di flusso si verificano quando una massa di fluido in movimento induce una pressione dinamica su una parete del condotto. La forza del fluido che colpisce la parete agisce come carico. Questo tipo di stress può essere applicato in modo instabile quando i tassi di flusso fluttuano. Uno scenario di colpo d'ariete è un esempio di stress di flusso transitorio.
Stress Termici
Gli stress termici esistono ogni volta che sono presenti gradienti di temperatura in un materiale. Temperature diverse producono espansioni diverse e sottopongono i materiali a stress interni. Questo tipo di stress è particolarmente evidente nei meccanismi che operano ad alte temperature che sono raffreddati da un fluido freddo.
Stress da Fatica
Gli stress da fatica sono dovuti all'applicazione ciclica di uno stress. Gli stress potrebbero essere dovuti a vibrazioni o cicli termici.
L'importanza di tutti gli stress aumenta quando i materiali che li supportano sono difettosi. I difetti tendono ad aggiungere stress aggiuntivi a un materiale. Inoltre, quando i carichi sono ciclici o instabili, gli stress possono influenzare un materiale più gravemente. Gli stress aggiuntivi associati ai difetti e al carico ciclico possono superare lo stress necessario affinché un materiale fallisca.
Tipi di Stress Applicato
L'intensità dello stress all'interno del corpo di un componente è espressa come uno dei tre tipi di carico interno di base. Sono conosciuti come tensile, compressivo e di taglio. L'immagine sottostante illustra i diversi tipi di stress. Matematicamente, ci sono solo due tipi di carico interno perché lo stress tensile e compressivo possono essere considerati come le versioni positive e negative dello stesso tipo di carico normale.
Tuttavia, nel design meccanico, la risposta dei componenti alle due condizioni può essere così diversa che è meglio, e più sicuro, considerarli come tipi separati.
Come illustrato nell'immagine sottostante, il piano di uno stress tensile o compressivo giace perpendicolare all'asse di operazione della forza da cui origina. Il piano di uno stress di taglio giace nel piano del sistema di forze da cui origina. È essenziale mantenere queste differenze ben chiare sia nella mente che nel modo di espressione.
Tipi di Stress Applicato
Stress Tensile
Lo stress tensile è un tipo di stress in cui le due sezioni di materiale su entrambi i lati di un piano di stress tendono a separarsi o allungarsi come illustrato nell'immagine sopra (Tensile).
Stress Compressivo
Lo stress compressivo è l'inverso dello stress tensile. Le parti adiacenti del materiale tendono a premere l'una contro l'altra attraverso un tipico piano di stress come illustrato nell'immagine sopra (Compressivo).
Stress di Taglio
Lo stress di taglio esiste quando due parti di un materiale tendono a scorrere l'una sull'altra in qualsiasi piano tipico di taglio all'applicazione di una forza parallela a quel piano come illustrato nell'immagine sopra (Taglio).
La valutazione delle proprietà meccaniche è fatta affrontando i tre tipi di stress di base. Poiché i carichi tensili e compressivi producono stress che agiscono attraverso un piano, in una direzione perpendicolare (normale) al piano, gli stress tensili e compressivi sono chiamati stress normali. Le designazioni abbreviate sono le seguenti.
Per stress tensili: "+SN" (o "SN") o "σ" (sigma)
Per stress compressivi: "-SN" o "-σ" (meno sigma)
La capacità di un materiale di reagire allo stress compressivo o alla pressione è chiamata comprimibilità. Ad esempio, i metalli e i liquidi sono incomprimibili, ma i gas e i vapori sono comprimibili. Lo stress di taglio è uguale alla forza divisa per l'area della faccia parallela alla direzione in cui la forza agisce, come mostrato nell'immagine precedente (Taglio).
Due tipi di stress possono essere presenti simultaneamente in un piano, a condizione che uno degli stress sia lo stress di taglio. In determinate condizioni, diverse combinazioni di tipi di stress di base possono essere presenti simultaneamente nel materiale. Una parete di un recipiente a pressione ha stress tensili in varie posizioni a causa della temperatura e della pressione del fluido che agisce sulla parete. Lo stress compressivo è applicato dall'esterno in altre posizioni sulla parete a causa della pressione esterna, della temperatura e della costrizione dei supporti associati al recipiente. In questa situazione, gli stress tensili e compressivi sono considerati stress principali. Se presente, lo stress di taglio agirà ad un angolo di 90° rispetto allo stress principale.
Riepilogo
Le informazioni importanti in questo capitolo sono riassunte di seguito.
Riepilogo dello Stress
- Lo stress è la resistenza interna di un materiale agli effetti distorsivi di una forza o carico esterno.
- Ci sono tre tipi di stress:
Lo stress tensile è un tipo di stress in cui le due sezioni di materiale su entrambi i lati di un piano di stress tendono a separarsi o allungarsi.
Lo stress compressivo è l'inverso dello stress tensile. Le parti adiacenti del materiale tendono a premere l'una contro l'altra.
Lo stress di taglio esiste quando due parti di un materiale tendono a scorrere l'una sull'altra all'applicazione di una forza parallela a quel piano.
- La comprimibilità è la capacità di un materiale di reagire allo stress compressivo o alla pressione.