Tutorial: Modulo di elasticità dell’acciaio - Scienza dei materiali

L’acciaio è un materiale importante nell’industria moderna ed è utilizzato per una varietà di applicazioni. Una proprietà cruciale da considerare quando si utilizzano gli acciai è la loro elasticità. Il modulo di elasticità o il modulo di Young indica quanta tensione è necessaria per ottenere un certo grado di allungamento. In questo articolo esamineremo i diversi tipi di acciai e i rispettivi moduli elastici.

Che cos’è l’acciaio?

L’acciaio è costituito principalmente da ferro (Fe) e carbonio (C), ma è possibile aggiungere altri elementi per migliorarne o adattarne le proprietà.

La maggior parte delle qualità disponibili in commercio ha un contenuto di carbonio compreso tra lo 0,2% e il 2%. La composizione esatta varia a seconda del produttore e dell’uso previsto del materiale.

Oggi, grazie alle tecnologie moderne e ai risultati della ricerca, è possibile produrre qualità in acciaio che hanno una straordinaria combinazione di proprietà. Queste proprietà sono il risultato dell’aggiunta mirata di elementi in lega come cromo, molibdeno o nichel in determinate proporzioni.

Anche gli elementi accompagnatori nell’acciaio svolgono un ruolo importante nella determinazione delle sue proprietà fisiche e chimiche. Il carbonio, ad esempio, aumenta la durezza del materiale, mentre lo zolfo lo rende fragile.
Inoltre anche la struttura cristallina dell’acciaio dopo la deformazione e la sua condizione di trattamento termico sono decisive per le sue proprietà meccaniche e termodinamiche finali. I processi di raffreddamento o riscaldamento controllati possono raggiungere la condizione desiderata.

Quali tipi di acciaio esistono?

Esiste un’ampia gamma di qualità differenti di acciaio, prodotte per scopi diversi. Alcuni dei tipi più comuni sono acciaio al carbonio, acciaio legato e acciaio inox.

Gli acciai al carbonio hanno un elevato contenuto di carbonio e sono spesso utilizzati per elementi costruttivi come travi o ponti. Possono essere utilizzati anche nelle macchine utensili perché sono abbastanza duri per eseguire i tagli. Grazie alla loro alta resistenza e durezza gli acciai al carbonio sono un materiale diffuso nella costruzione di macchine speciali. Sono particolarmente adatti per componenti soggetti a carichi elevati, come ruote dentate o alberi.

Oltre al ferro gli acciai legati contengono anche altri elementi come il cromo o il molibdeno. Questi additivi migliorano la resistenza del materiale e la sua resistenza alla corrosione dovuta ad acqua o umidità. Nella costruzione di macchine speciali gli acciai legati vengono utilizzati, ad esempio, nella produzione di pezzi per macchine utensili. Gli acciai legati vengono utilizzati spesso anche nella produzione di attrezzature speciali per l’estrazione mineraria e la costruzione di gallerie, nonché nella costruzione delle gru.

Gli acciai senza ruggine (inox) sono caratterizzati dalla loro elevata resistenza alla ruggine, da cui il loro nome “senza ruggine”. Questa caratteristica li rende ideali per l’uso all’aperto e in ambienti con esposizione all’umidità come utensili da cucina o apparecchiature mediche. Gli acciai antiruggine e gli acciai inox sono indispensabili nella costruzione delle macchine speciali. Offrono un’elevata resistenza alla corrosione, che è particolarmente vantaggiosa in ambienti umidi o aggressivi.

Oltre a questi tre tipi principali sul mercato sono disponibili molte altre qualità di acciaio specializzato: Gli acciai ad alta temperatura, ad esempio, sono utilizzati in condizioni estremamente calde; gli acciai elettrici, a loro volta, consentono una maggiore efficienza energetica nei trasformatori elettrici; gli acciai per molle sono utilizzati principalmente nella costruzione delle molle.

Qual è il modulo di elasticità dell’acciaio?

Come viene determinato il modulo di elasticità per l’acciaio?

Il modulo di elasticità è definito dall’intervallo lineare nel diagramma di tensione-deformazione.

Con il carico uniassiale nel test di trazione questo intervallo lineare può essere riconosciuto facilmente: Maggiore è la forza di trazione applicata, maggiore è l’espansione del materiale, ma sempre proporzionale alla forza. La pendenza di questa regione elastica lineare in seguito ha come risultato il modulo di elasticità del materiale.

Da questa deviazione si applica la legge di Hooke a:

Modulo elastico di diversi tipi di acciaio

È importante notare che il modulo elastico non dipende solo dalla composizione chimica del materiale, ma è influenzato anche dal processo di fabbricazione e dalle proprietà meccaniche come durezza o resistenza.

Più alto è il modulo elastico di una qualità particolare di acciaio, più robuste sono le costruzioni realizzate con esso sotto carico.