Prove di trazione: come funzionano, cosa misurano e come iniziare
La prova di trazione è un test meccanico fondamentale eseguito da ingegneri e scienziati dei materiali in strutture di produzione e ricerca in tutto il mondo. Una prova di trazione applica una forza uniassiale a un provino di materiale per misurarne le principali proprietà meccaniche: resistenza alla trazione, carico di snervamento, modulo elastico e allungamento. Queste misurazioni indicano ai progettisti di prodotti e agli ingegneri della qualità come si comporterà un materiale sotto carico, dove inizierà a deformarsi permanentemente e il punto in cui si romperà, fornendo i dati necessari per selezionare il materiale giusto per un'applicazione e verificare che soddisfi le specifiche richieste.
Perché eseguire una prova di trazione?
Le prove di trazione e la caratterizzazione dei materiali sono fondamentali per i produttori e i ricercatori di tutti i settori. Affinché un materiale possa essere selezionato per un nuovo prodotto o utilizzo, i ricercatori devono assicurarsi che possa resistere alle forze meccaniche che incontrerà nella sua applicazione finale. Ad esempio, la gomma degli pneumatici deve essere sufficientemente elastica per assorbire le irregolarità del manto stradale, mentre le suture chirurgiche devono essere abbastanza resistenti da tenere uniti i tessuti vivi. Inoltre, i materiali e i prodotti potrebbero essere esposti a forze meccaniche per periodi di tempo brevi o lunghi, attraverso un uso ciclico o ripetuto, e in un'ampia varietà di condizioni ambientali e di temperatura diverse. Gli pneumatici per il settore automobilistico devono durare per un certo numero di chilometri in svariate condizioni atmosferiche, mentre le suture chirurgiche, sebbene utilizzate una sola volta, devono mantenere una resistenza alla trazione costante per un tempo sufficiente a consentire la guarigione del corpo.
Oltre alla sua importanza per il processo di ricerca e sviluppo, la prova di trazione viene utilizzata anche dai dipartimenti di garanzia della qualità per garantire che i lotti di prodotto finito soddisfino le specifiche richieste per le proprietà di trazione. Questo è importante sia dal punto di vista della sicurezza che da quello aziendale, poiché i prodotti difettosi possono essere pericolosi per l'utente finale e possono anche causare danni significativi ai produttori sotto forma di ritardi nei prodotti, perdita di ricavi e danni alla reputazione.
Come eseguire una prova di trazione
Le prove di trazione vengono eseguite su macchine di prova universali, note anche come macchine per trazione o macchine per prove di trazione. Queste macchine sono costituite da un telaio a colonna singola o doppia dotato di una cella di carico, un software di prova e afferraggi e accessori specifici per l'applicazione, come gli estensimetri. Le macchine di prova universali sono disponibili in un'ampia varietà di capacità di forza e possono essere configurate con diversi dispositivi per testare qualsiasi prodotto, componente o materiale.
Macchina per prove di trazione: componenti chiave e loro funzioni
- Telaio di carico - Le macchine per prove di trazione possono essere disponibili in configurazioni a colonna singola o doppia a seconda della loro capacità di forza.
- Software - Il software di prova è il luogo in cui gli operatori configurano i metodi di prova e producono i risultati.
- Cella di carico - La cella di carico è un trasduttore che misura la forza applicata al provino. Le celle di carico Instron sono accurate fino a 1/1000 della capacità della cella di carico.
- Afferraggi e dispositivi - È disponibile un'ampia gamma di afferraggi e dispositivi per provini per adattarsi a provini di diversi materiali, forme e dimensioni.
- Misurazione della deformazione - Alcuni metodi di prova richiedono la misurazione dell'allungamento di un provino sotto carico. L'AVE2 di Instron può misurare le variazioni della lunghezza del provino fino a ±1 µm o allo 0,5% della lettura.
Configurazione di una prova di trazione
Per eseguire una prova di trazione, un operatore deve svolgere diverse attività per garantire che il test venga condotto in conformità con gli standard di prova interni e/o esterni. A seconda del laboratorio, queste attività potrebbero essere parzialmente o interamente automatizzate, sebbene la responsabilità della correttezza della configurazione risieda sempre nell'operatore.
Selezione del metodo di prova
Una volta caricato il provino negli afferraggi e collegato l'estensimetro, sei pronto per iniziare. In Bluehill Universal, seleziona il tuo metodo di prova e configura i parametri chiave, tra cui la velocità di prova, le dimensioni del provino e i criteri di fine prova, come il rilevamento della rottura o un limite di carico massimo.
Quando avvii il test, la macchina applica la forza di trazione alla velocità prescritta, registrando continuamente i dati di carico, estensione e deformazione man mano che il provino si deforma. Il test prosegue fino al soddisfacimento dei criteri finali definiti, in genere la rottura del provino o un calo percentuale del carico.
Una volta completato, Bluehill Universal calcola automaticamente le proprietà meccaniche definite nel tuo metodo: resistenza alla trazione, carico di snervamento, allungamento e modulo, pronti per la revisione, l'esportazione o la reportistica.
Preparazione dei provini
Le geometrie dei provini variano ampiamente a seconda del materiale testato e del metodo o standard di prova utilizzato. Organismi di regolamentazione come ASTM e ISO hanno standardizzato i requisiti dei provini per diversi materiali, il che consente di confrontare in modo affidabile le loro proprietà tra diversi lotti e produttori.
I provini per trazione sono comunemente lavorati o pressofusi a forma di "osso di cane" (dogbone), che fornisce "spalle" progettate per essere trattenute dagli afferraggi della macchina di prova e una "lunghezza utile" (gage length) dove verranno misurate le proprietà di trazione. Le dimensioni di queste spalle, la lunghezza utile tra di esse e la lunghezza e la larghezza dell'intero provino sono tutte prescritte dallo standard di prova.
Inserimento del provino negli afferraggi
La selezione dell'afferraggio giusto per il tuo provino è fondamentale per ottenere risultati accurati e ripetibili. A seconda delle dimensioni, della consistenza e del tipo di materiale del provino, potrebbero essere necessari diversi design di afferraggio e superfici delle facce delle ganasce. Gli afferraggi sono disponibili in un'ampia varietà di capacità di forza e con superfici rivestite in gomma, lisce, seghettate e di altro tipo per adattarsi a tutto, dagli elastomeri morbidi e film sottili ai metalli e compositi ad alta resistenza.
Un corretto allineamento è altrettanto importante. Il disallineamento durante l'inserimento del provino introduce forze fuori asse che possono falsare i risultati o causare cedimenti prematuri in corrispondenza degli afferraggi anziché nella lunghezza utile. Per aiutare gli operatori a inserire i provini in modo coerente e corretto, Instron offre una gamma di dispositivi di allineamento e maschere progettati per garantire che la forza venga applicata lungo l'asse corretto ogni volta.
Per gli ambienti di prova ad alto volume, gli afferraggi pneumatici e idraulici possono ridurre significativamente i tempi di configurazione e la variabilità dell'operatore, aprendosi e chiudendosi premendo un pulsante anziché richiedere la regolazione manuale tra i provini.
Dispositivi di misurazione della deformazione
La deformazione è una misura della deformazione di un provino sotto sforzo ed è una parte fondamentale della caratterizzazione dei materiali richiesta dalla maggior parte degli standard delle prove di trazione. La misurazione accurata della deformazione richiede un dispositivo di misurazione dedicato invece di fare affidamento sullo spostamento della traversa, che può introdurre errori dovuti alla cedevolezza della macchina e all'assestamento degli afferraggi.
Gli estensimetri sono la soluzione più comune. I dispositivi a contatto, come gli estensimetri a clip, si fissano direttamente al provino a una lunghezza utile fissa, misurando la variazione della distanza tra due punti di contatto man mano che il provino si deforma. Vengono fissati dopo che il provino è stato posizionato negli afferraggi, prima di iniziare il test. Per le applicazioni in cui il fissaggio di un dispositivo al provino non è pratico, come film molto sottili, elastomeri ad alto allungamento o materiali fragili, gli estensimetri video senza contatto offrono un'alternativa, tracciando la deformazione otticamente utilizzando marcatori o caratteristiche superficiali sul provino.
Avvio del test e registrazione dei dati
Una volta caricato il provino negli afferraggi e collegato l'estensimetro, sei pronto per iniziare. In Bluehill Universal, seleziona il tuo metodo di prova e configura i parametri chiave, tra cui la velocità di prova, le dimensioni del provino e i criteri di fine prova, come il rilevamento della rottura o un limite di carico massimo.
Una volta completato, Bluehill Universal calcola automaticamente le proprietà meccaniche definite nel tuo metodo: resistenza alla trazione, carico di snervamento, allungamento e modulo, pronti per la revisione, l'esportazione o la reportistica.
Analisi dei dati della prova di trazione: comprendere la curva sforzo-deformazione e le proprietà chiave del materiale
La misurazione di un materiale in trazione produce un profilo completo delle sue proprietà meccaniche. Quando tracciati su un grafico, i dati registrati di carico ed estensione generano una curva sforzo-deformazione che mostra come il materiale ha risposto alla forza applicata in ogni fase del test. Sebbene le proprietà specifiche richieste variino in base allo standard e all'applicazione, le misurazioni chiave ricercate dagli ingegneri sono la resistenza alla trazione massima, il modulo di elasticità, il carico di snervamento e la deformazione, ognuna delle quali rivela qualcosa di diverso su come il materiale si comporterà durante l'uso.
Resistenza alla trazione massima
Una delle proprietà più importanti che possiamo determinare su un materiale è la sua resistenza alla trazione massima (UTS). Questo è lo sforzo massimo che un provino sostiene durante il test. L'UTS può corrispondere o meno alla resistenza alla rottura del provino, a seconda che il materiale sia fragile, duttile o presenti proprietà di entrambi. A volte un materiale può essere duttile se testato in laboratorio, ma, se messo in servizio ed esposto a temperature estremamente fredde, può passare a un comportamento fragile.
Legge di Hooke
Per la maggior parte dei materiali, la parte iniziale del test mostrerà una relazione lineare tra la forza o il carico applicato e l'allungamento mostrato dal provino. In questa regione lineare la linea obbedisce alla relazione definita come Legge di Hooke, dove il rapporto tra sforzo e deformazione è una costante. E è la pendenza della linea in questa regione dove lo sforzo (σ) è proporzionale alla deformazione (ε) ed è chiamato modulo di elasticità o modulo di Young:
Modulo di elasticità
Il modulo di elasticità è una misura della rigidezza del materiale che si applica solo nella regione lineare iniziale della curva. All'interno di questa regione lineare, il carico di trazione può essere rimosso dal provino e il materiale tornerà esattamente alla stessa condizione in cui si trovava prima dell'applicazione del carico. Nel punto in cui la curva non è più lineare e devia dalla relazione rettilinea, la Legge di Hooke non si applica più e nel provino si verifica una deformazione permanente. Questo punto è chiamato limite elastico o proporzionale. Da questo punto in poi nella prova di trazione, il materiale reagisce plasticamente a qualsiasi ulteriore aumento di carico o sforzo. Non tornerà alla sua condizione originale e non sollecitata se il carico viene rimosso.
Resistenza allo snervamento
Il carico di snervamento di un materiale è definito come lo sforzo applicato al materiale al quale inizia a verificarsi la deformazione plastica.
Metodo dell'offset
Per alcuni materiali (ad esempio metalli e plastiche), lo scostamento dalla regione elastica lineare non può essere facilmente identificato. Pertanto è consentito un metodo di offset per determinare il carico di snervamento del materiale. Questa metodologia viene comunemente applicata quando si misura il carico di snervamento dei metalli. Quando si testano i metalli secondo lo standard ASTM E8/E8M, viene specificato un offset come percentuale di deformazione (solitamente lo 0,2%). Lo sforzo (R) che viene determinato dal punto di intersezione "r" quando la linea della regione elastica lineare (con pendenza pari al modulo di elasticità) viene tracciata dall'offset "m" diventa il carico di snervamento all'offset.
Moduli alternativi
Le curve di trazione di alcuni materiali non hanno una regione lineare ben definita. In questi casi, lo standard ASTM E111 prevede metodi alternativi per determinare il modulo di un materiale, così come il modulo di Young. Questi moduli alternativi sono il modulo secante e il modulo tangente.
Deformazione
Siamo anche in grado di trovare la quantità di stiramento o allungamento che il provino subisce durante la prova di trazione. Questo può essere espresso come una misurazione assoluta della variazione di lunghezza o come una misurazione relativa chiamata "deformazione". La deformazione stessa può essere espressa in due modi diversi, come "deformazione ingegneristica" e "deformazione reale".
La deformazione ingegneristica è probabilmente l'espressione della deformazione più semplice e comune utilizzata. È il rapporto tra la variazione di lunghezza e la lunghezza originale:
La deformazione reale è simile, ma basata sulla lunghezza istantanea del provino man mano che il test procede, dove Li è la lunghezza istantanea e L0 la lunghezza iniziale:
Visualizza le nostre FAQ sulle prove di trazione e sulle macchine per prove di trazione per ulteriori informazioni
Apparecchiature per prove di trazione Instron: scegliere il sistema, gli afferraggi e la misurazione della deformazione giusti per la tua applicazione
Le macchine per prove di trazione sono disponibili in diverse dimensioni e capacità di forza che vanno da 0,02 N a 2.000 kN. La maggior parte delle prove a bassa forza viene eseguita su una macchina elettromeccanica da banco a colonna singola o doppia, mentre le applicazioni a forza più elevata richiedono telai a pavimento. I sistemi della serie 6800 di Instron sono disponibili in gamme di capacità fino a 300 kN e possono eseguire un'ampia gamma di diversi tipi di test, tra cui trazione, compressione, flessione, pelatura, lacerazione, taglio, attrito, torsione, perforazione e altro ancora. I sistemi servoidraulici della serie Industrial di Instron sono progettati per test di capacità ancora più elevata su metalli, leghe e compositi avanzati ad alta resistenza.
Sistemi di prova universali fino a 300 kN
Sistemi di prova a colonna singola e doppia, modelli da banco e a pavimento, con una gamma di capacità di forza da 0,02 N (2 gf) a 300 kN.
Sistemi di prova universali industriali fino a 2000 kN
La serie Industrial di Instron comprende telai con spazi di prova singoli o doppi e una capacità di forza compresa tra 300 kN e 2000 kN.
Afferraggi per trazione per testare plastiche, metalli, compositi, elastomeri, tessili e componenti
Grip pneumatici ad azione laterale Tensile
Catalogo n. 2712-XXX
Il nostro afferraggio per trazione più popolare, installato su oltre la metà di tutte le macchine di prova universali Instron. Questi afferraggi sono facili da usare, estremamente versatili ed efficienti per test ad alto volume. Capacità di forza fino a 10 kN.
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Afferraggio meccanico a cuneo
Catalogo n. 2716-XXX
Un design di afferraggio per trazione classico, semplice e robusto; gli afferraggi manuali a cuneo sono perfetti per metalli, compositi e plastica. Progettati per facilitare il caricamento, l'allineamento e il posizionamento del provino. Capacità di forza fino a 250 kN.
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Morse a vite avanzate a azione laterale
Catalogo n. 2710-XXX
Gli afferraggi a vite forniscono un metodo molto semplice ed efficiente per trattenere i provini e sono comunemente utilizzati per applicazioni biomediche, film plastici, elettroniche e adesive. Capacità di forza fino a 10 kN.
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Afferraggi idraulici a cuneo avanzati
Catalogo n. 2742-XXX, 2743-XXX
I migliori afferraggi disponibili per la maggior parte delle applicazioni di prova di trazione su metalli e compositi. È necessaria una pompa per afferraggi idraulici se si installano su un sistema elettromeccanico. Capacità di forza fino a 500 kN.
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Ganasce a rullo eccentrico auto-serranti
Catalogo n. 2713-XXX
Afferraggi per trazione autoserranti semplici ed efficienti, perfetti per elastomeri e film sottili. Capacità di forza fino a 5 kN.
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Afferraggi pneumatici per funi e filati
Catalogo n. 2810-410, 2714-XXX
Afferraggi progettati specificamente per le prove di trazione su filati, fili, corde, funi, tubi, suture e cavi.
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Afferraggi idraulici a cuneo
Catalogo n. W-52XX, 53XX
Afferraggi idraulici a cuneo per i sistemi di prova universali idraulici statici ad alta capacità di Instron. Capacità di forza fino a 2.000 kN.
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Afferraggi idraulici ad azione laterale
Catalogo n. W-54XX
Gli afferraggi idraulici ad azione laterale DuraSync™ ad alta capacità offrono prestazioni di presa, usabilità e sicurezza dell'operatore migliorate rispetto ai design degli afferraggi tradizionali. Capacità di forza fino a 2.000 kN.
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Estensimetri: soluzioni a contatto e senza contatto per la misurazione della deformazione
Estensimetro video automatico senza contatto
Un estensimetro video è un estensimetro senza contatto in grado di misurare la deformazione tracciando il movimento di due marcatori applicati sul provino, utilizzando la tecnologia delle telecamere digitali ad alta risoluzione.
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Estensimetro automatico a contatto
Catalogo n. 2665-750
L'AutoX750 massimizza l'efficienza e i ricavi mantenendo elevati standard di qualità e condizioni operative sicure.
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Estensimetro statico assiale a clip
Catalogo n. 2630-XXX
Gli estensimetri statici assiali a clip di Instron sono una soluzione rapida e semplice per misurare la deformazione e sono adatti per l'uso su un'ampia gamma di materiali come plastiche, metalli e compositi.
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Standard per le prove di trazione per metalli, plastiche, elastomeri e altro
La maggior parte delle prove di trazione viene eseguita secondo standard stabiliti pubblicati da organizzazioni di standardizzazione come ASTM e ISO. Gli standard di prova prescrivono parametri di prova e risultati accettabili per diversi tipi di materie prime come metalli, plastiche, elastomeri, tessili e compositi, nonché per prodotti finiti come dispositivi medici, parti automobilistiche ed elettronica di consumo. Questi standard garantiscono che i materiali e i prodotti che entrano nella catena di fornitura mostrino proprietà meccaniche prevedibili e non rischino di cedere nell'uso finale previsto. Poiché le implicazioni in termini di costi e sicurezza di un guasto del prodotto non possono essere sottovalutate, le aziende sono incoraggiate a investire in apparecchiature di prova accurate e di alta qualità, progettate per aiutarle a determinare facilmente se i loro prodotti soddisfano o meno gli standard applicabili.
ASTM D638 / ISO 527-2
ASTM D638 e ISO 527-2 sono due degli standard più comuni utilizzati per valutare le proprietà di trazione delle plastiche rinforzate e non rinforzate. Sebbene questi standard misurino molte proprietà di trazione diverse, le più comuni sono la resistenza alla trazione, il modulo di trazione, l'allungamento e il rapporto di Poisson.
ASTM D412 / ISO 37
ASTM D412 e ISO 37 sono gli standard più comuni per determinare le proprietà di trazione della gomma vulcanizzata (termoindurente) e degli elastomeri termoplastici. I composti di questa famiglia vengono utilizzati per creare una vasta gamma di prodotti, dagli pneumatici ai guanti medici agli O-ring. Le misurazioni chiave per i test sugli elastomeri includono l'allungamento massimo e il set di trazione.
ASTM E8 / ASTM A370 / ISO 6892
ASTM E8, ASTM A370 e ISO 6892 sono i principali standard per le prove di trazione su metalli e materiali metallici. I metodi di controllo del test sono una considerazione importante nei test sui metalli e una comprensione approfondita della cedevolezza della traversa e del controllo della deformazione è necessaria per produrre risultati di prova accurati.
Di seguito sono elencati alcuni dei più comuni standard di prova internazionali. Garantire la conformità a tali standard può essere complesso, ma il software Bluehill Universal® semplifica il processo grazie a metodi di prova preconfigurati, progettati per ridurre i tempi di configurazione e ridurre al minimo il rischio di errori procedurali.
- ASTM A370 | Metodi di prova e definizioni standard per le prove meccaniche dei prodotti in acciaio
- ASTM A416 | Specifica standard per trefoli in acciaio a sette fili a basso rilassamento per calcestruzzo precompresso
- ASTM A48 | Specifica standard per getti in ghisa grigia
- ASTM A746 | Specifica standard per tubi fognari a gravità in ghisa duttile
- ASTM A996 | Specifica standard per barre deformate in acciaio per rotaie e acciaio per assali per il rinforzo del calcestruzzo
- ASTM C297 | Metodo di prova standard per la resistenza alla trazione in piano di strutture a sandwich
- ASTM D1037 | Metodi di prova standard per la valutazione delle proprietà dei materiali dei pannelli di fibre e particelle a base di legno
- ASTM D1414 | Metodi di prova standard per O-ring in gomma
- ASTM D1708 | Metodo di prova standard per le proprietà di trazione delle plastiche mediante l'uso di provini per microtrazione
- ASTM D2256 | Metodo di prova standard per le proprietà di trazione dei filati mediante il metodo a filo singolo
- ASTM D3039 | Metodo di prova standard per le proprietà di trazione dei materiali compositi a matrice polimerica
- ASTM D4018 | Metodi di prova standard per le proprietà dei fasci di fibre di carbonio e grafite a filamento continuo
- ASTM D412 | Metodi di prova standard per gomma vulcanizzata ed elastomeri termoplastici—Trazione
- ASTM D4632 | Metodo di prova standard per il carico di rottura e l'allungamento dei geotessili (Grab Test)
- ASTM D5034 | Metodo di prova standard per la resistenza alla rottura e l'allungamento dei tessuti (Grab Test)
- ASTM D5035 | Metodo di prova standard per la forza di rottura e l'allungamento dei tessuti (Metodo della striscia)
- ASTM D5766 | Metodo di prova standard per la resistenza alla trazione a foro aperto di laminati compositi a matrice polimerica
- ASTM D5961 | Metodo di prova standard per la risposta al supporto di laminati compositi a matrice polimerica
- ASTM D638 | Metodo di prova standard per le proprietà di trazione delle plastiche
- ASTM D7269 | Metodi di prova standard per le prove di trazione dei filati aramidici
- ASTM D882 | Metodo di prova standard per le proprietà di trazione di fogli di plastica sottili
- ASTM A416 | Specifica standard per trefoli in acciaio a sette fili a basso rilassamento per calcestruzzo precompresso
- ASTM D885 | Metodi di prova standard per corde per pneumatici, tessuti per corde per pneumatici e filati di filamenti industriali
- ASTM F2150 | Prove di trazione su idrogel polimerici
- ASTM F606 | Prove di trazione di elementi di fissaggio, rondelle, indicatori di trazione diretta e rivetti
- ASTM F2516 | Metodo di prova standard per le prove di trazione di materiali superelastici in nichel-titanio
- ASTM E8 | Metodi di prova standard per le prove di trazione di materiali metallici