Cosa fa sì che un materiale si pieghi senza rompersi? Il modulo elastico è fondamentale e influenza il modo in cui i materiali rispondono alle sollecitazioni. Questo articolo esplora cinque fattori critici che influenzano il modulo elastico: elementi di lega, trattamento termico, indurimento da deformazione, deformazione plastica a freddo e temperatura. I lettori potranno capire come queste variabili influenzino le proprietà dei materiali, essenziali per le applicazioni ingegneristiche.
Il modulo elastico dell'acciaio è determinato principalmente dalle proprietà intrinseche degli atomi di metallo e dalla struttura del reticolo cristallino. Questa relazione fondamentale deriva dalle forze interatomiche, che dipendono in larga misura dalla struttura elettronica degli atomi metallici e dalla loro disposizione spaziale all'interno del reticolo.
Sebbene gli elementi di lega possano indurre cambiamenti nei parametri reticolari dell'acciaio, il loro impatto sul modulo elastico è generalmente minimo per la maggior parte delle leghe di acciaio convenzionali. Questo effetto limitato è dovuto alle alterazioni relativamente piccole della spaziatura interatomica e del legame che si verificano con le tipiche aggiunte di leganti. Di conseguenza, i valori del modulo elastico degli acciai legati e degli acciai al carbonio tendono a essere abbastanza simili.
Quantitativamente, la variazione del modulo elastico tra acciai legati e acciai al carbonio è tipicamente inferiore a 12%. Questa differenza relativamente piccola sottolinea la predominanza delle proprietà intrinseche del ferro nel determinare il comportamento elastico dell'acciaio, anche quando è legato a quantità significative di altri elementi.
Vale la pena notare che, mentre il modulo elastico rimane relativamente costante, gli elementi di lega possono influenzare in modo significativo altre proprietà meccaniche come il carico di snervamento, la resistenza alla trazione e la duttilità attraverso vari meccanismi di rafforzamento (ad esempio, rafforzamento in soluzione solida, indurimento per precipitazione o affinamento dei grani).
Il trattamento termico esercita generalmente un'influenza minima sul modulo elastico dei metalli. Ciò è dimostrato da diverse osservazioni chiave:
Tuttavia, la relazione tra trattamento termico e proprietà elastiche diventa più complessa se si considerano leghe e proprietà meccaniche specifiche:
È importante notare che, sebbene questo comportamento sia stato osservato in 60Si2MnA, l'universalità di questa relazione tra leghe e processi di trattamento termico diversi richiede ulteriori indagini. Gli ingegneri e gli scienziati dei materiali dovrebbero considerare queste potenziali variazioni quando progettano componenti o strutture che si basano su precise proprietà elastiche e di taglio, soprattutto per applicazioni ad alte prestazioni come molle o strumenti di precisione.
Se il provino è un materiale plastico, che viene caricato fino allo stadio plastico e poi scaricato, quando il materiale ritorna allo stato di equilibrio, la deformazione elastica scomparirà, mentre la deformazione plastica non scomparirà, con conseguente deformazione permanente del materiale, come mostrato nella Fig. a.
Questo processo è chiamato indurimento per deformazione o lavorazione a freddo.
Pertanto, nonostante l'aumento del limite proporzionale, la plasticità si riduce in una certa misura e la fragilità aumenta.
Dalla figura a si può notare che prima e dopo il rafforzamento, la linea retta della sezione lineare della curva tende ad essere parallela, la pendenza è la stessa e il modulo elastico è lo stesso.
Infatti, il provino perderà un po' di calore o di energia quando viene scaricato dal punto a' e poi caricato nello stesso punto.
Pertanto, le curve del processo di carico e scarico non coincidono.
Come mostrato dalla linea tratteggiata nella Fig. b, ci sarà una zona di isteresi meccanica.
Quando si scelgono i materiali degli smorzatori per strutture vibranti o apparecchiature meccaniche, occorre tenere conto delle caratteristiche isteretiche meccaniche.
Schema del processo di rafforzamento del materiale
La deformazione plastica a freddo induce una leggera riduzione del modulo elastico dei metalli, tipicamente compresa tra 4% e 6%. Questo fenomeno è attribuito principalmente allo sviluppo di tensioni residue all'interno della microstruttura del materiale durante il processo di deformazione.
L'entità della deformazione plastica influenza in modo significativo l'anisotropia del modulo elastico. All'aumentare del grado di deformazione, il materiale mostra una dipendenza direzionale nelle sue proprietà elastiche. In particolare, il modulo elastico raggiunge il suo valore massimo lungo la direzione primaria della deformazione, come conseguenza dell'evoluzione della struttura cristallografica e della formazione della sottostruttura dislocativa.
Questa alterazione del modulo elastico dovuta alla deformazione plastica a freddo ha importanti implicazioni per la formatura a freddo di componenti di precisione. L'anisotropia indotta e la riduzione complessiva del modulo elastico possono portare a:
Per mitigare questi effetti e ottenere una formatura a freddo di alta precisione, i produttori devono prendere in considerazione:
Con l'aumento della temperatura, le distanze interatomiche all'interno della struttura cristallina del materiale si espandono, determinando una riduzione del modulo elastico. Questo comportamento dipendente dalla temperatura è fondamentale nelle applicazioni ingegneristiche, in particolare negli ambienti ad alta temperatura.
Per l'acciaio al carbonio, un materiale importante nelle applicazioni industriali, il modulo elastico mostra una notevole sensibilità alla temperatura. In particolare, per ogni aumento di temperatura di 100°C, il modulo elastico dell'acciaio al carbonio diminuisce di circa 3% - 5%. Questa riduzione è attribuita all'indebolimento dei legami interatomici e all'aumento delle vibrazioni atomiche a temperature più elevate.
Tuttavia, è importante notare che nell'intervallo di temperatura compreso tra -50°C e 50°C, che comprende la maggior parte delle condizioni operative ambientali, il modulo elastico dell'acciaio rimane relativamente stabile. La stabilità delle proprietà elastiche in questo intervallo contribuisce a rendere prevedibili e affidabili le prestazioni delle strutture e dei componenti in acciaio in condizioni ambientali normali.
Il comportamento del modulo elastico in funzione della temperatura ha implicazioni significative per la progettazione e la selezione dei materiali in varie applicazioni, come le apparecchiature di lavorazione ad alta temperatura, i componenti aerospaziali e le strutture soggette a variazioni di temperatura estreme. Gli ingegneri devono tenere conto di queste variazioni quando progettano componenti che opereranno in ampi intervalli di temperatura per garantire l'integrità strutturale e le prestazioni per tutta la durata prevista.
Poiché la deformazione elastica si propaga nel mezzo alla velocità del suono, la velocità del suono nel mezzo metallico è piuttosto grande, come 4982 m/s nell'acciaio;
Nella prova d'urto con pendolo ordinaria, il tasso di deformazione assoluto è di soli 4 ~ 5,5 m/s, e anche nella prova d'urto ad alta velocità, il tasso di deformazione è entro il 103m / s.
Sotto tale carico d'urto, la deformazione elastica può sempre seguire la variazione della forza d'urto esterna, quindi la velocità di deformazione non ha alcun effetto sul comportamento elastico e sul modulo elastico dei materiali metallici.
Nelle macchine moderne, il tasso di deformazione delle varie parti varia dal 10-6 a 106s-1.
Ad esempio, il tasso di deformazione della prova di trazione statica è pari al 10-5 ~ 10-2s-1 (definita velocità di deformazione quasi statica), mentre la velocità di deformazione del carico d'impatto è pari al 102 ~ 104s-1, definito "alto tasso di deformazione".
Inoltre, ci sono prove a media velocità di deformazione con velocità di deformazione del 10-2 ~ 102s-1come il martello a caduta e il volano rotante.
La pratica mostra che quando la velocità di deformazione è nell'intervallo 10-4 ~ 10-2s-1Le proprietà meccaniche del materiale non subiscono variazioni evidenti e possono essere trattate come un carico statico.
Quando il tasso di carico di deformazione è maggiore di 10-2s-1, le proprietà meccaniche del materiale cambieranno in modo significativo, il che deve tenere conto di una serie di cambiamenti nelle proprietà meccaniche causati dall'aumento della velocità di deformazione.
Nella fase di deformazione plastica, la deformazione aumenta lentamente con l'aumento della velocità di carico.
Pertanto, quando la velocità di carico è molto elevata, la deformazione plastica non può avvenire completamente, il che si manifesta come un miglioramento del limite elastico, resistenza allo snervamento e altre micro deformazioni plastiche.
Si è inoltre riscontrato che la deformazione plastica sotto il carico d'urto è concentrata in alcune aree locali, il che riflette che la deformazione plastica è estremamente disomogenea.
Questa non uniformità limita anche lo sviluppo della deformazione plastica, impedendo la piena realizzazione della deformazione plastica, con conseguente miglioramento della resistenza allo snervamento e della resistenza alla trazione; il miglioramento della resistenza allo snervamento è maggiore e quello della resistenza alla trazione è minore.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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