Qual è il punto di snervamento di un metallo?

Il punto di snervamento è il livello di sollecitazione oltre il quale un metallo inizia a deformarsi permanentemente. Al di sotto di questo livello di sollecitazione, il metallo si comporta come una molla: si piega ma torna alla sua forma originale quando si rilascia la forza. Al di sopra del punto di snervamento, il metallo rimane piegato anche dopo aver rimosso il carico.

Gli ingegneri utilizzano il punto di snervamento come soglia critica di sicurezza. Progettano le strutture in modo che le normali sollecitazioni operative rimangano ben al di sotto di questo punto, assicurando che gli edifici non cedano permanentemente, che i componenti delle automobili non si deformino e che i ponti mantengano la loro forma per decenni di utilizzo.

Punti di snervamento superiore e inferiore

Alcuni metalli, in particolare l'acciaio dolce, presentano due punti di snervamento distinti anziché uno solo. Il punto di snervamento superiore è un breve picco di sollecitazione in cui il metallo inizia a cedere. Subito dopo, la sollecitazione scende a un punto di snervamento inferiore, dove la deformazione plastica continua a una sollecitazione costante e inferiore.

Ciò accade a causa del modo in cui gli atomi interagiscono all'interno del metallo. Gli atomi di carbonio e azoto nell'acciaio agiscono come minuscole ancore che fissano la struttura interna del metallo. Per rompere queste ancore è necessaria una forza maggiore: questo è il limite superiore di snervamento.

Una volta che questi ancoraggi si staccano, il metallo scorre più facilmente al punto di snervamento più basso. Questo fenomeno è visibile sotto forma di bande chiamate bande di Lüders che si estendono sulla superficie del metallo durante la prova.

Gli ingegneri in genere utilizzano il limite di snervamento inferiore per i calcoli di progettazione, poiché rappresenta il livello di stress sostenuto durante il flusso plastico. Materiali come le leghe di alluminio non mostrano questo comportamento a due fasi, ma snervano gradualmente.

Come si misura il punto di snervamento

Il limite di snervamento viene misurato mediante una prova di trazione in cui un campione di metallo viene tirato a velocità controllata. Una macchina registra sia la forza applicata sia l'allungamento del campione, creando una curva sforzo-deformazione che mostra esattamente dove inizia lo snervamento.

Per i metalli con un punto di snervamento ben definito, come l'acciaio dolce, si noterà un calo improvviso o una "svolta" nella curva. Tuttavia, molti metalli passano gradualmente da un comportamento elastico a uno plastico, rendendo più difficile individuare con esattezza il punto di snervamento.

In assenza di un punto di snervamento netto, gli ingegneri utilizzano il metodo dello 0.2%. Tracciano una linea parallela alla porzione elastica della curva, con uno scostamento dello 0.2%. Il punto in cui questa linea interseca la curva effettiva definisce il limite di snervamento, che rappresenta la sollecitazione che causa una piccola ma permanente deformazione dello 0.2%.

Fattori che influenzano il punto di snervamento

Diversi fattori chiave determinano il limite di snervamento di un metallo:

• Composizione del materiale e microstruttura: L'aggiunta di elementi come carbonio, cromo o manganese all'acciaio aumenta il limite di snervamento, rendendo più difficile lo slittamento e la deformazione della struttura interna del metallo. Anche una dimensione dei grani più piccola aumenta il limite di snervamento: pensate ai grani come a tessere di un puzzle in cui i confini tra i pezzi fungono da barriere alla deformazione.
• Trattamento termico: La tempra e il rinvenimento dell'acciaio possono raddoppiare o triplicare il suo limite di snervamento creando una struttura interna più dura. La ricottura ha l'effetto opposto: ammorbidisce il metallo e riduce il limite di snervamento, attenuando le tensioni interne e consentendo ai grani di aumentare di dimensioni.
• Lavorazione a freddo (incrudimento): La laminazione a freddo o la trafilatura del metallo ne aumentano il limite di snervamento creando una serie di difetti interni che resistono a ulteriori deformazioni. L'acciaio laminato a freddo può avere un limite di snervamento superiore del 50% rispetto allo stesso acciaio laminato a caldo.
• Velocità di deformazione: I metalli appaiono più resistenti quando vengono deformati rapidamente. Un paraurti di un'auto in caso di incidente presenta un limite di snervamento effettivo più elevato rispetto allo stesso materiale caricato lentamente. L'effetto è solitamente modesto, ma diventa importante in situazioni di impatto.
• Temperatura: Il calore indebolisce i metalli: l'alluminio a 300 °C potrebbe avere metà del limite di snervamento rispetto a temperatura ambiente. Il freddo generalmente aumenta il limite di snervamento, ma può rendere i metalli fragili. Gli ingegneri devono tenere conto della temperatura di esercizio quando selezionano i materiali, soprattutto per applicazioni come motori a reazione o oleodotti nell'Artico.

Limite di snervamento dei metalli comuni

Domande frequenti

Qual è la differenza tra limite di snervamento e resistenza alla trazione?

Il limite di snervamento indica quando inizia la deformazione permanente, mentre la resistenza alla trazione è la sollecitazione massima prima della rottura del materiale. Un metallo cede inizialmente, continua a deformarsi diventando più resistente (incrudimento), per poi fratturarsi al raggiungimento del suo limite di resistenza alla trazione.

La resistenza allo snervamento può variare nel tempo?

Sì, fattori come il carico di fatica, la corrosione e l'esposizione alla temperatura possono alterare il limite di snervamento. La lavorazione a freddo durante l'esercizio può aumentarlo, mentre le alte temperature o la corrosione sotto sforzo possono ridurlo significativamente.