Codice di Hammurabi (2250 a.C.): "...Se un costruttore edifica una casa per un uomo senza che questa sia stabile, e la casa che ha costruito crolla e causa la morte del proprietario della casa, che il costruttore sia messo a morte. Se il crollo causa la morte di un figlio del proprietario, che sia messo a morte un figlio del costruttore. Se distrugge una proprietà, dovrà ricostruirla e, dato che non ha costruito la casa in maniera stabile, la ricostruirà a proprie spese..."

Prenderemo in esame le caratteristiche meccaniche dei materiali metallici, intendendo con questo termine quei dati, ottenuti attraverso prove unificate, che servono a stabilire se un materiale è adatto all'impiego previsto.

E' la più importante prova convenzionale meccanica. Si esegue su ogni materiale allo scopo di rilevare le caratteristiche di resistenza, deformabilità e di elasticità: è fondamentalmente una prova di collaudo, di riconoscimento, di selezione.

Con la prova di trazione statica si ricavano indici di confronto che consentono la formulazione di giudizi relativi allo stato del materiale ed alle possibilità del suo impiego. Questa prova costituisce il mezzo di controllo dei processi tecnologici (stampaggio, fucinatura, saldatura, trattamenti termici, ecc.) offrendo al progettista valori di riferimento per il calcolo e il dimensionamento degli organi di macchine.

La prova di trazione consiste nel sottoporre un provino, le cui dimensioni devono rispondere a certe prescrizioni, ad una forza di trazione lungo il suo asse, con una velocità di deformazione controllata, sino alla rottura.

Si rileva il diagramma tensione-deformazione, intendendo con tensione il rapporto tra il carico applicato e la sezione iniziale, e con deformazione il rapporto tra l'allungamento di un tratto di riferimento e la sua lunghezza iniziale.

Il diagramma, che ha indicativamente la forma rappresentata in figg. 0 e 1, presenta un primo tratto iniziale rettilineo, nel quale la tensione è proporzionale alla deformazione, essendo il coefficiente di proporzionalità il modulo di Young, E, del materiale.

Fig.0 - Prova di trazione

dove s₁, s₂, s₃ sono le tensioni principali.

Il diagramma ricavato nella prova di trazione non rappresenta le tensioni e le deformazioni effettive.

Se si riporta la tensione effettiva, calcolata tenendo conto della variazione della sezione, in funzione della deformazione effettiva, calcolata tenendo conto della variazione di lunghezza, si ottiene una curva con andamento sempre crescente e con pendenza via via decrescente sino alla rottura.

Nella figura 3, è riportato un esempio di criostato per prove di trazione, utilizzato per carichi sino a 100 KN.

La rottura di un materiale può prodursi per scorrimento con deformazione plastica e assorbimento di energia, per rottura dei legami ad opera di forze parallele al piano di rottura, oppure per separazione delle superfici perpendicolarmente alla forza applicata (clivaggio). Entrambi i modi si verificano secondo piani cristallini preferenziali.

La possibilità che si verifichi l'uno o l'altro degli eventi dipende dal tipo di struttura, dalla temperatura, dalla velocità di deformazione, dalla purezza, etc..

In molti materiali lo scorrimento avviene per sforzi molto inferiori allo sforzo di taglio teorico perchè le dislocazioni possono agire a questi livelli di tensioni. Se questo si può verificare le concentrazioni di sforzi possono essere rilasciate e non si raggiunge mai il livello per attivare la rottura per clivaggio.

Questo è quanto si verifica nei metalli puri del sistema cubico facce centrate.

Nei metalli con struttura cubica corpo centrato ed esagonale compatta è possibile che le dislocazioni siano bloccate e lo scorrimento impedito. In questo caso possono insorgere sforzi di trazione elevati che rendono possibile la rottura per clivaggio.

La prova di trazione su provetta con intaglio serve ad accertare la tendenza di un materiale alla rottura fragile. La provetta, di dimensioni normalizzate, presenta a metà altezza una gola a V con raccordo di fondo molto piccolo. La prova sostanzialmente consiste nel rilevare la forza di rottura alla temperatura richiesta. Per effetto della presenza dell'intaglio la forza di trazione non è uniformemente distribuita nella sezione di gola ma è maggiore sulla circonferenza esterna. Inoltre sono presenti anche tensioni tangenziali e radiali. Lo stato di tensione è triassiale e il rapporto tra lo sforzo di trazione massimo e quello medio (k_t,  fattore di intensificazione) - 7. Il materiale a lato dell'intaglio, che non raggiunge lo snervamento, agisce come vincolo ed impedisce lo scorrimento. In queste condizioni, nel caso di una piastra con un intaglio profondo, simmetrico a pareti parallele, lo sforzo medio nella gola per produrre lo snervamento risulta, adottando il criterio di von Mises, 2,8 volte lo snervamento rilevato dal provino liscio.

Il modo in cui questo impedimento porta alla transizione tra rottura duttile e rottura fragile è stato descritto da Orowan nel diagramma, riportato in figura 22 dove in funzione della temperatura è riportato lo sforzo di snervamento Y del materiale senza intaglio, lo sforzo di snervamento 3Y del materiale con intaglio (2,8 - stato arrotondato a 3) lo sforzo occorrente per la frattura fragile, che si considera come un processo indipendente sempre possibile e poco influenzato dalla temperatura.

A temperatura ambiente F > 3Y e la frattura è duttile mentre a bassa temperatura - F <Y  quindi la frattura è fragile. Vi è un intervallo, in cui Y < F < 3Y nel quale la frattura del provino senza intaglio è duttile e quella del provino con l'intaglio è fragile.

La prova su provino intagliato è stata scelta per la sua semplicità in quanto consente di utilizzare le stesse attrezzature della prova di trazione classica.

La prova è importante perchè è  diventata una delle prove richieste dai regolamenti per l'accettazione dei materiali e dei procedimenti di saldatura, per impieghi a bassa temperatura.

Ad esempio per gli acciai inossidabili è richiesta una prova alla temperatura di esercizio nella quale deve risultare KV > 28J.

Purtroppo l'attrezzatura non è adatta a prove a bassa temperatura e si sono viste soluzioni diverse più o meno valide. Misure a 4 K sono state condotte con il provino chiuso in un piccolo dewar di vetro od in una scatola di materiale isolante, raffreddata da un flusso di vapore di elio. Dal risultato della prova si detrae il contributo del contenitore, rilevato in una prova a parte.

Nella fig. 24 è riportato l'andamento dell'energia assorbita nella prova su un acciaio al carbonio in funzione della temperatura, confrontata con  l'allungamento a rottura.

Si vede che a temperatura maggiore di T4 il materiale è tenace e duttile, al di sotto di T₁ è senza dubbio fragile, tra T₂ e T₃ è duttile se deformato a bassa velocità con una sollecitazione monoassiale, ed è fragile se soggetto ad una sollecitazione triassiale applicata ad alta velocità.

Sia la prova con il pendolo di Charpy che quella di trazione su provino intagliato sono prove di confronto. I dati ricavati non sono applicabili ad alcun calcolo di verifica.

In un materiale è molto probabile che si trovino difetti di dimensioni piccole, come microcricche, soffiature, scalfitture.

Concentrazioni molto elevate di tensione possono prodursi al vertice di una microcricca e raggiungere il limite di E/10 necessario per rompere i legami atomici, anche se gli sforzi nominali possono essere molti ordini di grandezze inferiori.

La distribuzione di tensioni intorno al vertice di una cricca, in un materiale perfettamente elastico è data dall'espressione

La frattura si verifica quando il campo di tensioni al vertice della cricca raggiunge una intensità critica, cioè quando K raggiunge un valore critico K_c, il quale è caratteristico del materiale, è cioè una proprietà meccanica funzione della temperatura, della microstruttura, della velocità di carico.

L'aspetto importante è che K può essere calcolato per diverse geometrie strutturali usando l'analisi delle sollecitazioni.

L'applicabilità del calcolo è estesa al caso che all'apice della cricca vi sia una zona plasticamente deformata, se la dimensione di questa è piccola rispetto alla lunghezza della cricca ed alla sezione netta rimanente. In questo caso si tiene conto della presenza della zona plastica aumentando la lunghezza di una quantità r_y

La misura di K_Ic si ottiene, sottoponendo un provino di dimensioni normalizzate, ved. fig. 27, prima ad una sollecitazione a fatica che produce una cricca la cui lunghezza deve essere compresa entro certe dimensioni e quindi ad un carico crescente sino a rottura rilevando la curva carico apertura.

Il pedice I contraddistingue il modo di rottura, con la forza agente perpendicolare al piano di avanzamento della cricca, che rappresenta il caso più frequente.