Resistenza alla trazione È un’importante proprietà meccanica che misura la capacità massima di sopportare il carico di un materiale sottoposto a sollecitazione di trazione uniaxiale. È ampiamente utilizzata nella scelta dei materiali, nella progettazione strutturale, nel controllo qualità e nella verifica delle prestazioni dei componenti. La resistenza alla trazione varia in modo significativo da un materiale all’altro e persino lo stesso tipo di materiale può presentare valori diversi a causa delle condizioni di trattamento termico, della forma del prodotto e delle condizioni di prova.
Questo articolo illustra la definizione, la formula di calcolo, il metodo di prova e i fattori che influenzano la resistenza alla trazione. Inoltre, mette a confronto i dati tipici relativi alle leghe di alluminio, agli acciai, agli acciai inossidabili e alle materie plastiche tecniche più comuni, e ne discute l’importanza pratica in Lavorazione CNC e la scelta dei materiali.
Che cos’è la resistenza alla trazione?
Resistenza alla trazione, noto anche come resistenza alla trazione massima (UTS), è la sollecitazione massima di progetto raggiunta da un materiale durante una prova di trazione uniaxiale. È comunemente rappresentata da Rm, mentre i riferimenti più datati potrebbero anche utilizzare σb. Le unità di misura comunemente utilizzate sono MPa o N/mm².
Per i metalli duttili, la resistenza alla trazione corrisponde solitamente al termine della deformazione plastica uniforme e all’inizio del restringimento localizzato. Per i materiali a bassa duttilità, essa è generalmente più vicina alla resistenza alla rottura per trazione. La resistenza alla trazione riflette la capacità massima di un materiale di resistere alla trazione, ma non può essere utilizzata direttamente come sollecitazione di sicurezza di un componente.
Formula e unità di misura della resistenza alla trazione
La resistenza alla trazione si calcola dividendo il carico massimo registrato durante una prova di trazione per l'area della sezione trasversale originale del provino:
Rm = Fm / S₀
- Rm: resistenza alla trazione, MPa
- Da: carico massimo registrato durante la prova di trazione, N
- S₀: area della sezione trasversale originale del provino, mm²
La resistenza alla trazione viene solitamente espressa in MPa o N/mm²:
1 MPa = 1 N/mm²
Nel calcolo occorre utilizzare l'area della sezione trasversale originale prima della prova, anziché l'area nella zona di restringimento successiva alla rottura. Per i materiali duttili, il carico massimo viene solitamente raggiunto prima della rottura definitiva.
Resistenza alla trazione sulla curva sforzo-deformazione
In una tipica curva tensione-deformazione, un materiale passa attraverso le fasi di deformazione elastica, snervamento, deformazione plastica uniforme, restringimento e rottura. La tensione ingegneristica massima sulla curva corrisponde alla resistenza alla trazione del materiale.
Prima che venga raggiunta la resistenza alla trazione, l’incrudimento permette al materiale di continuare ad aumentare la propria capacità di sopportare il carico. Superato questo punto, la deformazione si concentra gradualmente in una zona localizzata, si forma un restringimento e subentra la frattura. Pertanto, per i materiali duttili, il punto di resistenza alla trazione non coincide solitamente con il punto di frattura finale.
Come viene testata la resistenza alla trazione?
La resistenza alla trazione viene solitamente misurata mediante una prova di trazione standardizzata. Il provino viene montato su una macchina di prova universale e sottoposto a un carico di trazione assiale a una velocità specificata fino al verificarsi della rottura.
La procedura di prova di base comprende:
Preparare ed esaminare il provino di trazione secondo la norma applicabile;
Misurare la larghezza, lo spessore, il diametro e la lunghezza di riferimento originale del provino;
Centrare il provino nelle ganasce della macchina di prova;
Applicare un carico di trazione assiale alla velocità specificata;
Registrare i dati relativi al carico, allo spostamento e alla deformazione;
Calcolare la resistenza alla trazione a partire dal carico massimo.
Una prova di trazione consente solitamente di determinare anche il modulo elastico, il comportamento a snervamento, l'allungamento a rottura e la riduzione di sezione. Le dimensioni del provino, la direzione di campionamento, la velocità di carico, l'allineamento delle ganasce, i difetti superficiali e la posizione della frattura possono tutti influire sui risultati della prova.
Fattori che influenzano la resistenza alla trazione
La resistenza alla trazione è influenzata dalla composizione del materiale, dalla microstruttura, dalle condizioni di lavorazione e dall'ambiente di impiego. Lo stesso tipo di materiale può quindi presentare proprietà di trazione nettamente diverse a seconda delle condizioni.
Composizione chimica: Gli elementi di lega possono aumentare la resistenza attraverso l'irrobustimento per soluzione solida, l'irrobustimento per precipitazione o l'irrobustimento per trasformazione, influenzando al contempo anche la duttilità, la tenacità e la resistenza alla corrosione.
Granulometria e microstruttura: La granulometria, la composizione delle fasi e l’uniformità microstrutturale influenzano il movimento delle dislocazioni, l’indurimento per deformazione e il comportamento alla frattura.
Trattamento termico: La tempra, il rinvenimento, il trattamento di solubilizzazione, l'invecchiamento e la ricottura modificano la microstruttura e la resistenza alla trazione di un materiale.
Processo di produzione: La laminazione, la forgiatura, la trafilatura, l’estrusione e la lavorazione a freddo possono aumentare la resistenza attraverso l’affinamento del grano o l’incrudimento.
Difetti e qualità superficiale: Crepe, pori, inclusioni, sbavature e graffi superficiali creano concentrazioni di sollecitazioni che possono causare un cedimento prematuro.
Temperatura e velocità di deformazione: Le alte temperature riducono generalmente la resistenza alla trazione della maggior parte dei metalli, mentre anche la velocità di carico influisce sul comportamento in termini di deformazione e rottura.
Corrosione e ambiente: La corrosione puntiforme, la corrosione sotto sforzo e l’infragilimento da idrogeno possono ridurre la sezione trasversale effettiva o accelerare la propagazione delle crepe.
Dimensioni e direzione di carico: Lo spessore del materiale, le dimensioni del provino e la direzione di laminazione, forgiatura o estrusione possono tutti influire sui dati delle prove.
Resistenza alla trazione delle leghe di alluminio più comuni
La resistenza alla trazione delle leghe di alluminio comunemente utilizzate nella lavorazione meccanica è determinata principalmente dalla serie di lega, dalle condizioni di trattamento termico e dalla forma del prodotto. La lega 6061 è adatta per componenti CNC generici, la 2011 è indicata per la lavorazione ad alta velocità, mentre le leghe 2024, 7050 e 7075 sono più adatte a componenti strutturali ad alta resistenza.
| Lega di alluminio | Resistenza alla trazione tipica | Caratteristiche di lavorazione | Applicazioni comuni |
| 2011-T3 / T8 | Circa 310-380 MPa | Produce trucioli corti, garantisce un’elevata efficienza di taglio ed è adatto alla tornitura ad alta velocità | Parti filettate, raccordi, boccole e componenti per torni automatici |
| 2014-T6 | Circa 450-500 MPa | Elevata resistenza e adatto al taglio di precisione, ma con una resistenza alla corrosione limitata | Componenti aerospaziali, staffe per impieghi gravosi e componenti meccanici ad alta resistenza |
| 2024-T3 / T351 | Circa 430-485 MPa | Buona lavorabilità, con elevata resistenza meccanica e ottime prestazioni a fatica | Componenti strutturali per il settore aerospaziale, connettori e componenti di precisione lavorati a CNC |
| 5052-H32 | Circa 210-260 MPa | Buona formabilità, ma lavorabilità relativamente nella media | Custodie, pannelli, serbatoi e componenti strutturali resistenti alla corrosione |
| 5083-H111 / H116 | Circa 275-330 MPa | Buona resistenza alla corrosione e adatto alla lavorazione di lamiere e pezzi di grandi dimensioni | Componenti navali, piastre di fissaggio e parti meccaniche di grandi dimensioni |
| 6061-T6 / T651 | Circa 290-330 MPa | Prestazioni di taglio costanti, ampia disponibilità e idoneità all'anodizzazione | Staffe, elementi di fissaggio, piastre di montaggio, involucri e componenti CNC in generale |
| 6063-T6 | Circa 205-245 MPa | Più indicato per i profili estrusi, dove il taglio viene solitamente eseguito come operazione secondaria | Telai, guide, strutture di dissipazione del calore e componenti profilati |
| 6082-T6 | Circa 290-340 MPa | Una combinazione equilibrata di resistenza e lavorabilità | Supporti, piastre strutturali, connettori e telai di macchine |
| 7050-T7451 | Circa 470-525 MPa | Elevata resistenza meccanica con buona resistenza alla corrosione sotto sforzo | Parti portanti per il settore aerospaziale, longheroni e componenti di precisione ad alta resistenza |
| 7075-T6 / T651 | Circa 540-570 MPa | Elevata resistenza e buona lavorabilità, ma è necessario tenere sotto controllo le deformazioni dovute alla lavorazione | Componenti aerospaziali, droni, componenti per auto da corsa e pezzi CNC ad alta resistenza |
Il 2011 è indicato per la tornitura ad alta efficienza, il 6061 offre un campo di applicazione complessivamente più ampio, mentre il 2024, il 7050 e il 7075 sono utilizzati principalmente per componenti di precisione ad alta resistenza. I vantaggi dei profili 5052 e 6063 sono più strettamente legati alle applicazioni di formatura ed estrusione.
La resistenza alla trazione effettiva varia a seconda delle condizioni del materiale, delle dimensioni e della forma del prodotto. La scelta definitiva dovrebbe quindi basarsi sulla norma applicabile e sul certificato del materiale.
Resistenza alla trazione degli acciai al carbonio e legati più comuni
L'acciaio copre un ampio intervallo di resistenza, e il tenore di carbonio, la composizione della lega e le condizioni di trattamento termico hanno tutti un'influenza significativa. Gli acciai a basso tenore di carbonio sono adatti per strutture generiche e parti lavorate, mentre gli acciai a medio tenore di carbonio e gli acciai legati sono più indicati per alberi, ingranaggi e componenti sottoposti a carichi elevati.
| Grado di acciaio | Resistenza alla trazione tipica | Caratteristiche principali | Applicazioni comuni |
| ASTM A36 | Circa 400-550 MPa | A basso costo, con buona saldabilità e formabilità | Telai, basi, staffe e piastre strutturali |
| S235JR | Circa 360-510 MPa | Acciaio strutturale a basso tenore di carbonio per uso generico, facile da saldare e da lavorare | Strutture in acciaio, profilati, staffe e basamenti per macchinari |
| S355J2 | Circa 470-630 MPa | Una combinazione equilibrata di resistenza, tenacità e saldabilità | Telai portanti, strutture meccaniche e supporti |
| AISI 1018 | Circa 440-640 MPa | Buona lavorabilità, duttilità e saldabilità | Alberi, perni, elementi di fissaggio e pezzi lavorati |
| AISI 1020 | Circa 380-550 MPa | Facile da modellare, saldare e indurire superficialmente | Manicotti, perni, parti strutturali e componenti cementati |
| AISI 1045 / C45 | Circa 570-800 MPa | Le proprietà possono essere migliorate mediante tempra e rinvenimento o tempra superficiale | Alberi, ingranaggi, perni, rulli e connettori |
| AISI 4140 / 42CrMo4 | Circa 800-1.200 MPa | Elevata resistenza, tenacità e resistenza alla fatica dopo la tempra e il rinvenimento | Alberi di trasmissione, elementi di fissaggio ad alta resistenza e componenti per impieghi gravosi |
| AISI 4340 | Circa 930-1.400 MPa | Elevata temprabilità e buona tenacità anche a livelli elevati di resistenza | Alberi, ingranaggi e componenti sottoposti a carichi elevati nel settore aerospaziale |
| AISI 8620 | Circa 530-850 MPa | La cementazione può produrre una superficie dura e un nucleo tenace | Ingranaggi, camme, pignoni e componenti della trasmissione |
I dati riportati nella tabella sono da considerarsi a titolo di confronto preliminare. La scelta definitiva del materiale deve inoltre tenere conto delle condizioni di trattamento termico, delle dimensioni della sezione, delle condizioni di consegna e del certificato di conformità del materiale.
Resistenza alla trazione degli acciai inossidabili più comuni
La resistenza alla trazione dell'acciaio inossidabile è strettamente correlata al tipo di microstruttura, alla lavorazione a freddo e alle condizioni di trattamento termico. Gli acciai inossidabili austenitici privilegiano maggiormente la resistenza alla corrosione e la duttilità, mentre i tipi duplex e quelli a indurimento per precipitazione possono raggiungere livelli di resistenza più elevati.
| Tipo di acciaio inossidabile | Resistenza alla trazione tipica | Caratteristiche principali | Applicazioni comuni |
| Acciaio inox 303 | Circa 515-690 MPa | Buona lavorabilità, con una resistenza alla corrosione leggermente inferiore | Alberi, parti filettate, raccordi e componenti di precisione lavorati a CNC |
| Acciaio inox 304 | Circa 520-720 MPa | Una combinazione equilibrata di resistenza alla corrosione, formabilità e saldabilità | Attrezzature alimentari, involucri, elementi di fissaggio e componenti meccanici |
| Acciaio inossidabile 316 / 316L | Circa 485-690 MPa | Maggiore resistenza alla corrosione puntiforme e agli ambienti clorurati | Componenti per apparecchiature mediche, chimiche, marine e per la gestione dei fluidi |
| 2205 Acciaio inox duplex | Circa 660-860 MPa | Elevata resistenza meccanica con buona resistenza alla corrosione puntiforme e alla corrosione sotto sforzo | Valvole, flange, alberi e componenti per impianti petroliferi e del gas |
| Acciaio inox 17-4 PH | Circa 1.030-1.365 MPa | Elevata resistenza meccanica e buona resistenza alla corrosione dopo l'invecchiamento | Settore aerospaziale, energia, connettori ad alta resistenza e componenti di alberi portanti |
La lavorazione a freddo può aumentare la resistenza di alcuni acciai inossidabili austenitici, mentre le proprietà di 17-4 PH variano in modo significativo a seconda delle condizioni di invecchiamento. La scelta del materiale deve tenere conto della qualità, delle condizioni di trattamento termico e della forma del prodotto.
Resistenza alla trazione delle materie plastiche tecniche più comuni
Le materie plastiche tecniche presentano in genere una resistenza alla trazione inferiore rispetto ai metalli, ma offrono vantaggi in termini di peso, resistenza alla corrosione, basso attrito e isolamento elettrico. Le loro caratteristiche sono facilmente influenzabili dalla temperatura, dall'umidità, dal rapporto di rinforzo delle fibre e dalla direzione di stampaggio.
| Plastica tecnica | Resistenza alla trazione tipica | Caratteristiche principali | Applicazioni comuni |
| ABS | Circa 35-50 MPa | Buona tenacità e lavorabilità | Alloggiamenti, prototipi e componenti per l'elettronica di consumo |
| Nylon PA6 / PA66 | Circa 60-90 MPa | Resistente all'usura e robusto, ma che assorbe l'umidità | Ingranaggi, boccole, rulli e componenti meccanici |
| POM / Acetale | Circa 60-75 MPa | Basso attrito, buona stabilità dimensionale e buona lavorabilità | Ingranaggi di precisione, cursori e connettori |
| Policarbonato, PC | Circa 55-75 MPa | Eccellente resistenza agli urti | Coperture protettive, involucri per apparecchiature e componenti di sicurezza |
| SETTIMANA | Circa 90-100 MPa | Buona resistenza alle alte temperature, resistenza chimica e resistenza meccanica | Componenti per apparecchiature aerospaziali, mediche e per semiconduttori |
| PTFE | Circa 20-35 MPa | A basso attrito e resistente alla corrosione, ma con bassa rigidità | Guarnizioni, boccole e componenti isolanti |
| UHMWPE | Circa 20-40 MPa | Resistente all'usura, agli urti e autolubrificante | Guide, rivestimenti antiusura e componenti per nastri trasportatori |
Le materie plastiche tecniche devono inoltre essere valutate in termini di scorrimento, sollecitazioni a lungo termine e temperatura di esercizio. Sebbene il rinforzo con fibre possa migliorare la resistenza, aumenta anche la dipendenza direzionale e l'usura degli utensili.
In che modo la resistenza alla trazione influisce sulla lavorazione CNC
La resistenza alla trazione può essere utilizzata come parametro di riferimento per valutare la capacità di carico del materiale e il carico di lavorazione, ma non è in grado di determinare autonomamente la lavorabilità CNC. La durezza, la tenacità, la tendenza all’incrudimento, la conducibilità termica e la microstruttura hanno solitamente un’influenza più diretta.
Scelta dei materiali e preventivo: I materiali ad alta resistenza vengono comunemente utilizzati per le parti portanti e possono comportare costi più elevati in termini di materiale, ispezione e lavorazione.
Forza di taglio e carico della macchina: I materiali con una maggiore resistenza alla trazione richiedono spesso una forza di taglio maggiore, il che può aumentare il carico sul mandrino e le vibrazioni durante la lavorazione.
Scelta degli utensili e usura: I materiali ad alta resistenza richiedono in genere utensili più rigidi, rivestimenti adeguati e parametri di taglio stabili.
Sgrossatura e controllo della temperatura: Durante le operazioni di asportazione massiccia di materiale, è necessario controllare adeguatamente la profondità di taglio, la velocità di avanzamento, il raffreddamento e l'evacuazione dei trucioli per evitare l'accumulo di calore.
Formazione di trucioli e bave: La tenacità e l'allungamento del materiale influiscono sulla rottura dei trucioli e sulla formazione di bave. I materiali più tenaci tendono a produrre trucioli lunghi e bave.
Prestazioni nella parte finale: La resistenza alla trazione può essere utilizzata per valutare la capacità portante massima di un componente sottoposto a sollecitazione di trazione, ma occorre tenere conto anche della fatica, delle intaccature e del coefficiente di sicurezza.
La deformazione da lavorazione nei pezzi a pareti sottili e nei componenti piatti di grandi dimensioni è solitamente più strettamente correlata al modulo elastico, al limite di snervamento, alle tensioni residue, allo spessore delle pareti e al metodo di serraggio che alla sola resistenza alla trazione.
Come utilizzare la resistenza alla trazione nella scelta dei materiali
La resistenza alla trazione è un parametro utile per confrontare la resistenza massima alla trazione di materiali diversi, ma nella scelta effettiva occorre tenere conto anche del carico a cui è sottoposto il componente, del suo peso, della sua rigidità, delle condizioni ambientali e dei requisiti di produzione.
Confrontare i diversi gradi e le diverse condizioni di trattamento termico;
Verificare se il materiale è in grado di soddisfare i requisiti relativi al carico di trazione;
Valutare il rapporto resistenza/peso e il valore in termini di alleggerimento;
Verificare che il certificato del materiale sia conforme ai requisiti indicati nel disegno;
Verificare se le proprietà richieste possano essere mantenute dopo la lavorazione o il trattamento termico;
Valutarlo insieme al limite di snervamento, all’allungamento, alla durezza e alle prestazioni a fatica.
Per i componenti lavorati a controllo numerico (CNC), occorre tenere in considerazione anche la lavorabilità, la stabilità dimensionale, il trattamento superficiale e il costo del materiale.
Errori comuni nell'utilizzo dei dati relativi alla resistenza alla trazione
I dati relativi alla resistenza alla trazione sono significativi solo se lo stato del materiale e le condizioni di prova sono chiaramente definiti. Tra gli errori più comuni figurano:
Considerare l'UTS come tensione ammissibile: La resistenza alla trazione non corrisponde alla sollecitazione di lavoro di sicurezza di un componente. Nella progettazione occorre tenere conto anche dello snervamento e del coefficiente di sicurezza.
Ignorare lo stato del materiale: Lo stesso tipo di acciaio può presentare resistenze nettamente diverse a seconda che si trovi in condizioni di ricottura, tempra e rinvenimento, invecchiamento o lavorazione a freddo.
Confronto diretto tra diversi dati di test: I dati ottenuti da campioni, standard, lunghezze di riferimento e velocità di prova diversi potrebbero non essere direttamente comparabili.
Ignorando lo spessore e la direzione: Lo spessore del materiale, il diametro della barra e la direzione di laminazione o estrusione possono tutti influire sulle proprietà di trazione.
Utilizzo della sola resistenza alla trazione: Un'elevata resistenza alla trazione non implica necessariamente che un materiale abbia una maggiore resistenza agli urti, alla fatica o una maggiore capacità di sopportare carichi a lungo termine.
L'idea che un valore elevato di UTS comporti una scarsa lavorabilità: La difficoltà di lavorazione dipende anche dalla durezza, dalla tenacità, dall’incrudimento e dalle caratteristiche dei trucioli.
Domande frequenti sulla resistenza alla trazione
Una maggiore resistenza alla trazione è sempre un vantaggio?
Non necessariamente. Una maggiore resistenza alla trazione può aumentare la capacità portante massima, ma può anche comportare una minore duttilità, un costo più elevato del materiale o una maggiore difficoltà di lavorazione. Nella scelta del materiale occorre inoltre tenere conto della rigidità, delle prestazioni a fatica, della resistenza alla corrosione e delle condizioni ambientali di impiego.
Perché lo stesso materiale presenta valori di resistenza alla trazione diversi?
La resistenza alla trazione di uno stesso tipo di acciaio dipende dalle condizioni del trattamento termico, dal grado di lavorazione a freddo, dalle dimensioni del prodotto, dalla direzione di campionamento e dal processo di fabbricazione. I dati relativi al materiale vengono quindi solitamente espressi sotto forma di intervallo.
Il trattamento termico può migliorare la resistenza alla trazione?
Sì. La tempra, il rinvenimento, il trattamento di solubilizzazione e l'invecchiamento possono migliorare la resistenza alla trazione modificando la microstruttura del materiale. Tuttavia, l'aumento della resistenza può anche comportare variazioni nella duttilità, nella tenacità o nella resistenza alla corrosione.
Lo spessore del materiale influisce sulla resistenza alla trazione?
La resistenza alla trazione non aumenta semplicemente con l'aumentare dello spessore, ma lo spessore può influire sulla velocità di raffreddamento, sulla risposta al trattamento termico, sull'uniformità microstrutturale e sulla distribuzione dei difetti, determinando valori specificati diversi per prodotti di spessore diverso.
Conclusione
Resistenza alla trazione è un parametro importante per confrontare le prestazioni dei materiali, effettuare il controllo qualità e valutare la capacità portante massima. Le leghe di alluminio, gli acciai, gli acciai inossidabili e le tecnopolimeri coprono diversi intervalli di resistenza, ma la scelta effettiva del materiale deve comunque tenere conto del limite di snervamento, del modulo elastico, della duttilità, delle prestazioni a fatica e dell'ambiente di impiego.
Per i pezzi lavorati con macchine CNC, le proprietà dei materiali influiscono anche sul carico di taglio, sulla scelta degli utensili, sui costi di lavorazione e sull'affidabilità del pezzo finito. Lavorazione Weldo può fornire consigli sui materiali, analisi DFM e Preventivi per lavorazioni CNC sulla base dei disegni dei componenti, dei requisiti di carico e degli ambienti di applicazione, contribuendo a garantire nei progetti un equilibrio tra prestazioni, producibilità e costi.
