La misura delle proprietà è effettuata mediante prove, condotte nel rispetto di norme precisate dalle unificazioni

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1 PROVE MECCANICHE

2 Le prove meccaniche si eseguono allo scopo di misurare le proprietà meccaniche dei materiali, ossia quelle che caratterizzano il comportamento di un materiale sotto l azione di forze esterne. La misura delle proprietà è effettuata mediante prove, condotte nel rispetto di norme precisate dalle unificazioni

3 TEMPO DI APPLICAZIONE DEL CARICO in: Statiche (trazione, compressione, flessione, durezza) Dinamiche (resilienza) Periodiche (fatica) Sotto carico costante (scorrimento, usura)

4 Durante l esecuzione delle prove, a seguito dell applicazione del carico, nel pezzo si avranno deformazioni (cambiamento della dimensione unitaria del corpo) e sollecitazioni (carico per unità di superficie). Le sollecitazioni statiche, dinamiche, periodiche o costanti si classificano inoltre in base alla direzione del carico rispetto all asse geometrico del campione da testare in: trazione (compressione): direzione del carico coincide con l asse geometrico del solido flessione: carico giace sia nel piano che passa per l asse geometrico del solido sia in quello normale tendendo a flettere il solido torsione: carico giace nel piano normale, ma non nel piano assiale taglio: carico giace nel piano della sezione soggetta a scorrere rispetto a quella immediatamente adiacente

5 PROVA di TRAZIONE

6 La prova di trazione rappresenta il più importante test convenzionale. La prova di trazione è: STATICA DISTRUTTIVA UNIFICATA Fornisce grandezze, che per quanto convenzionali, sono utilizzate: nella progettazione nella valutazione sull applicabilità di processi tecnologici ad un materiale in indagini di carattere scientifico o di failure-analysis SCOPO: Misura delle proprietà di RESISTENZA, DEFORMABILITA ed ELASTICITA del materiale

7 La prova di trazione è eseguita su provini (con dimensioni e geometria opportuna) attraverso l applicazione di un carico monoassiale crescente (se pur lentamente). I risultati della prova di trazione sono rappresentati da un diagramma carico-allungamento e da una serie di grandezze relative alla resistenza, deformabilità, ed all elasticità di cui è costituito il provino. La normativa di riferimento per l Europa è la UNI EN

8 Nei provini di trazione si distinguono: Tratto utile L 0 Tratto calibrato L C ( L 0 +d 0 /2< L C < L 0 +2d 0 ) Le teste opportunamente raccordate al tratto calibrato La sezione che può essere circolare, quadrata, rettangolare.

9 La geometria delle provette può variare in funzione di: Materiale da testare (duttile o fragile) Processo tecnologico con cui è stato prodotto il materiale (fusione, deformazione, ecc ) Tipologia di componente da cui il provino è stato ricavato (lamiera, tubo, filo ecc..) N.B. In tutti i casi la posizione e la modalità di prelievo del provino rispetto al pezzo da collaudare hanno grande importanza

10 Provini per la prova di trazione a sezione circolare e rettangolare; il tratto L è il tratto calibrato, il tratto L 0 è quello di riferimento, del quale si misura l allungamento.

11 Affinché tutte le grandezze che si ottengono dalla prova risultino indipendenti dalla geometria del provino è necessario che il rapporto fra la lunghezza L 0 e la sezione iniziale S 0 rispetti le seguenti relazioni: Provini proporzionali L 0 =k S 0 L 0 =nd 0 Diametro iniziale provette Nelle normative Europee k=5,65 ed n=5 Nelle normative americane k=4,61 ed n=4

12 Dopo aver determinato l'area della sezione iniziale e aver marcato la lunghezza iniziale, il provino è posizionato con opportuni dispositivi nella macchina di prova in modo che il carico sia applicato il più assialmente possibile. La velocità della macchina deve essere quanto più possibile costante e può variare entro limiti che dipendono dalla natura del materiale. La prova si può eseguire in 2 modi differenti, incrementando il carico oppure la deformazione. La descrizione più soddisfacente e completa si ottiene dalla macchina in grado di assicurare la velocità di deformazione programmata e scegliendo il carico corrispondente: il carico diventa la variabile dipendente.

13 Macchina di trazione In una macchina per la prova di trazione si possono distinguere: Telaio costituito da una traversa mobile ed una fissa; nella zona di mezzeria tra le due traverse sono alloggiate le due teste di afferraggio del provino. Il movimento relativo tra le traverse consente di sollecitare il provino a trazione. I trasduttori di segnale necessari ai fini di misura: Forza applicata (cella di carico) Spostamento della traversa mobile (controllo di moto della traversa mobile) Effettivo allungamento (estensimetro)

14 La traversa mobile è solitamente azionata da un dispositivo idraulico o elettromeccanico (a viti). Macchina Idraulica A Viti Strato di uscita

15 Per la misura delle deformazioni residue alla rottura occorre valutare la lunghezza del provino dopo la prova riaccostando le due porzioni rotte del provino. L allungamento percentuale a rottura viene valutato misurando la distanza L u ottenuta tra le due sezioni di riferimento opportunamente evidenziate nel tratto utile (inizialmente a distanza L 0 ) Provino a sezione circolare dopo rottura e riaccostamento delle due metà (acciaio duttile).

16 TENSIONE Tensione di trazione, σ: Unità di misura Pa

17 DEFORMAZIONE ELASTICA Una deformazione elastica è reversibile

18 DEFORMAZIONE PLASTICA La Deformazione plastica è irreversibile

19 DEFORMAZIONE Deformazione longitudinale, ε: Deformazione laterale, ε L : La deformazione è espressa da un numero puro

20 TENSIONE e DEFORMAZIONE REALI Tensione reale, σ: Deformazione reale, ε: Lunghezza istantanea Lunghezza finale Lunghezza iniziale

21 Proprietà lineari elastiche: Se il materiale si allunga elasticamente significa che può riprendere la sua lunghezza originaria se il carico ritorna a zero. L'andamento risulta lineare la legge che lo rappresenta è la legge di Hooke. Legge di Hooke: E modulo elastico (modulo di Young)

22 Durante la prova possiamo registrare il diagramma cartesiano che riporta in ascissa gli allungamenti del provino e sulle ordinate il carico di trazione ad esso applicato : questo diagramma è chiamato Diagramma Carichi-Allungamenti. Per un materiale come l acciaio a basso tenore di carbonio, il diagramma si presenta come quello mostrato.

23 In generale nella prova di resistenza alla trazione di un materiale metallico si possono distinguere tre periodi: ELASTICO delle GRANDI DEFORMAZIONI della STRIZIONE Periodo elastico Periodo grandi deformazioni Periodo strizione Deformazione elastica Deformazione plastica omogenea Strizione

24 Periodo delle Grandi Deformazioni : oltre il limite elastico il metallo cede deformandosi uniformemente mentre i carchi salgono lentamente. Il passaggio tra i due periodi può essere graduale oppure la curva può presentare uno o più punti singolari. Il carico F s,nel caso di punto singolare, è il carico in corrispondenza del quale si passa bruscamente dalle piccole alle grandi deformazioni e prende il nome di carico di snervamento Il periodo delle grandi deformazioni si estende generalmente sino al punto M (punto di massima deformazione uniforme). s= ke n

25 Qualora dal diagramma carichi allungamenti non risulti rilevabile il valore del carico di snervamento, si stabilisce convenzionalmente di sostituirlo con quel carico che induce una deformazione permanente dello 0,2%: F s(0,2). Tensione di snervamento, σ s s s R s F s S 0 in N/mm 2 Si indica anche con il simbolo R s ed è uno dei dati più pratici e più importanti

26 Periodo della Strizione : A partire dal punto M ha inizio il fenomeno della strizione in seguito al quale tutta l ulteriore deformazione si concentra in un breve tratto della provetta. Il carico F m è definito carico massimo di rottura o resistenza alla trazione. Il carico F u è definito carico ultimo. Tensione di rottura a trazione, σ m s m R F m S 0 in N/mm 2 Il diametro in corrispondenza della sezione di massima contrazione si riduce da d p a d u mentre la zona fuori dalla strizione non si deforma ulteriormente

27 Per materiali molto deformabili si hanno tutti e tre i periodi descritti. Si possono distinguere alcuni sottotipi di diagrammi: a. Oltre il punto S si verifica un vero e proprio periodo di snervamento con doppio limite di snervamento, inferiore e superiore (come in certi acciai a basso contenuto di carbonio) b. La curva presenta nettamente un punto singolare S c. Non si distingue passaggio graduale tra i primi due periodi (es. rame) d. Caso di rottura prematura prima di raggiungere il carico F m (materiali poco deformabili)

28 Tenacità del materiale L area sottesa dalla curva tensionedeformazione rappresenta l energia assorbita dal provino prima della rottura ed è indice della tenacità del materiale. Materiali fragili minore area sottesa dalla curva Materiali duttili maggiore area sottesa dalla curva

29 Allungamento percentuale a rottura: A% E definito dalla variazione di lunghezza del tratto utile, dopo rottura, riferito alla lunghezza iniziale e moltiplicato per 100. L u : lunghezza dopo rottura del tratto utile. Questo dato è un indice della duttilità del materiale. Maggiore è l A% maggiore è la sua duttilità.

30 Strizione percentuale Z Coefficiente di strizione percentuale Z: è definito dalla variazione della sezione di rottura S u rispetto alla sezione iniziale S o e moltiplicato per 100. S u = a u b u S 0 = a 0 b 0 Per provette cilindriche

31 Nei diagrammi visti le ascisse e le ordinate sono riferite alla sezione e alla lunghezza iniziali, il carico di rottura risulta, paradossalmente, inferiore ai valori precedenti mentre si verifica che due valori diversi di deformazione richiedono uguale carico. In realtà la deformazione si accumula mentre la lunghezza varia. Se ci riferiamo ad un incremento di deformazione infinitesimo dε, in corrispondenza dell allungamento L+dL, allora si ha: Deformazione reale:

32 In campo plastico avanzato, a seguito dell instaurarsi di una marcata strizione della sezione trasversale, anche la definizione data di tensione nominale non è più adeguata a descrivere il reale valore di tensione presente nel provino. Si può definire un valore di tensione reale che vale sin quando il provino permane in stato monoassiale di tensione. S F s Tensione reale Il legame tra la tensione reale e quella nominale è immediato nel caso in cui vale l ipotesi di deformazione a volume costante L L S S LS S L e s s L L S F S S S F ΔV=cost 0 0 ln ln S S L L e e s e s 1 f

33 II profilo della curva mostra chiaramente che lo sforzo vero aumenta, cioè il metallo più è deformato e più è resistente, mentre lo sforzo ingegneristico rappresentato apparentemente diminuisce perché riferito alla sezione iniziale. Nella zona del provino in cui c è la strizione, lo sforzo non è più di sola trazione, ma ci sono componenti tangenziali e radiali delle quali, in teoria, bisognerebbe tenere conto.

34 PROVA di DUREZZA

35 La prova di durezza misura la resistenza di un materiale metallico ad un penetratore o ad un utensile da taglio. La durezza è un indice della deformabilità plastica delle superfici del materiale in esame. La durezza influenza la resistenza all'usura, all' incisione, al taglio e talvolta anche alla corrosione. Prove di durezza: si determina la resistenza opposta da un materiale a lasciarsi penetrare da un altro materiale (penetratore). La durezza viene misurata dalla dimensione di un impronta realizzata da un penetratore su cui agisce un carico prefissato.

36 Test: statici convenzionali BRINELL VICKERS ROCKWELL durometro singolo valore di durezza (correlabile ad altre proprietà) Test economici, semplici e minimamente invasivi La durezza dipende dal sistema (dispositivo + metodo) con cui si misura Necessità della standardizzazione (norme) scale di durezza. Nella norma è indicato: Metodo con il quale si effettua la prova Verifica e calibrazione della macchina di prova Calibrazione dei materiali di riferimento

37 La scelta del metodo di prova per la misura della durezza dipende da: Tipo di materiale Caratteristiche del pezzo da esaminare Dalle informazioni che si vogliono ottenere Dalla rapidità e dalla possibilità di automatizzare le prove N.B. Le metodologie di prova che saranno illustrate sono valide solo per i materiali metallici che si prestano ad essere deformati plasticamente.

38 Durezza Brinell C D F O B d A f Indentatore: Sfera di acciaio temprato o metallo duro diametro D ) ( d D D D F S F S P HB P [kgf] S [mm 2 ] F [N] D, d [mm] S = area della calotta sferica dell impronta f = affondamento=oa-ob d D d D OB d D D f d D D D Df S ) ( d D D D P S P HB ) ( d D D D F HB 2 D OA SFERA: Acciaio temprato se HB<350 (HBS) o metallo duro per HB fino a 650 (HBW) N.B.: La costante deriva da 1/g=1/ =0.102 Dimostrazione della relazione:

39 Durezza Brinell Penetrazione dell indentatore di diametro D sulla superficie con carico di prova F Durometro per l esecuzione della prova Brinell

40 Durezza Brinell Scelta del carico Legge di similitudine meccanica 1 2 [N] F KD K dipende dal materiale D si sceglie in base allo spessore (se possibile è consigliata la sfera da 10 mm) Il carico deve essere scelto in modo che 0.24 D < d < 0.6 D Materiali ferrosi K=30 Leghe di alluminio K=5 Leghe di stagno e piombo K=1 Materiali ferrosi s (mm) D (mm) P (kgf) > <

41 Durezza Brinell Carichi in funzione dei materiali in prova

42 Durezza Brinell Modalità di prova Il carico P applicato gradualmente deve essere esattamente il valore fissato e la durata di applicazione deve essere stabilita, almeno 10-15s, e mantenuta costante. Superficie liscia e piana Impronte distanziate tra loro e il bordo dist. centro impronta bordo 2.5D dist. centri 2 impronte 4D Spessore del pezzo almeno 8 volte la profondità di penetrazione Nessuna deformazione deve essere visibile sulla facciata opposta dopo a prova

43 Durezza Brinell Designazione La durezza Brinell è indicata con il termine HBS (se sfera di acciaio) o HBW (se sfera di metallo duro) seguito da numeri che rappresentano il diametro del penetratore (in mm), la forza applicata (in kgf) e la durata di applicazione della forza (in s). Esempio 600 HBW 1/30/ Valore della durezza Brinell (kgf/mm2, ma non si indica) HBW Simbolo della durezza Brinell 1/ Diametro della sfera in mm 30 Forza applicata (294.2 N 30 kgf) /20 Tempo di permanenza (20 s) se non indicato si intende s. Esistono tabelle in cui, noto il diametro dell impronta, si legge direttamente il valore della durezza Brinell corrispondente a un certo carico applicato

44 Durezza Brinell Vantaggi: Idoneo per testare materiali disomogenei (impronta grande). Adatto per effettuare test su grandi semilavorati (forgiati, laminati, ecc.). È necessaria una minima preparazione della superficie prima di effettuare il test. Test semplice, robusto e caratterizzato da un ridotto costo del penetratore. Correlazione tra la durezza Brinell e la resistenza a trazione (R [MPa] =0.35 HB) Svantaggi: Restrizione del range di applicazione fino ad un massimo di 650 HBW. Limitazione qualora si debbano testare provini piccoli e con ridotto spessore. Tempo di prova relativamente lungo a causa della misura del diametro dell impronta. Danneggiamento del provino a causa della grande impronta. Dipendenza dei risultati dall operatore. L esecuzione di numerose prove può affaticare l operatore ed incrementare l errore di misura.

45 Durezza Vickers Indentatore: piramide in diamante a base quadrata con angolo al vertice di 136 HV P S F S F d S = area della superficie dell impronta d = media delle due diagonali P in genere 30 kgf 2 P [kgf] S [mm 2 ] F [N] d [mm] F F HV sin d d a d Dimostrazione della relazione: h S ah a h d d sin 68 S 2 1 d 2 sin 68

46 Durezza Vickers Modalità di prova Superficie ben levigata, liscia e piana*, libera da ossidazione, finitura ottimale. Carico applicato gradualmente Impronte distanziate tra loro e il bordo dist.centro impronta bordo e dist. centri 2 impronte deve essere almeno 4d Permanenza del carico almeno 10-15s Spessore del pezzo almeno 1.5 volte la diagonale dell impronta Nessuna deformazione deve essere visibile sulla facciata opposta dopo a prova *Se la superficie è curva i valori di durezza devono essere corretti con opportuni fattori

47 Durezza Vickers Designazione La durezza Vickers è indicata con il termine HV seguito da numeri che rappresentano la forza applicata (in kgf) e la durata di applicazione della forza (in s). Esempio 350 HV 10/ Valore della durezza Vickers (kgf/mm2, ma non si indica) HV Simbolo della durezza Vickers 10 Forza applicata (98.1 N 10 kgf) /20 Tempo di permanenza (20 s) se non indicato si intende s. Esistono tabelle in cui, note le diagonali dell impronta, si legge direttamente il valore di una durezza Vickers corrispondente a un certo carico applicato

48 Durezza Vickers Vantaggi: Non esiste valore della durezza che impedisca l uso della prova Vickers. Possibilità di testare componenti piccoli e sottili. L impronta è molto piccola e può non compromettere la funzionalità e l aspetto estetico del componente testato. Svantaggi: Richiesta una preparazione accurata della superficie da testare. Tempi di prova relativamente lunghi per la necessità di misurare la lunghezza delle diagonali. Elevata suscettibilità del penetratore in diamante al danneggiamento. Se l impronta è piccola, forte dipendenza del risultato della misura dalla preparazione superficiale. Dipendenza dei risultati dall operatore. L esecuzione di numerose prove può affaticare l operatore ed incrementare l errore di misura.

49 Durezza Rockwell Indentatore (2 possibilità): - Cono di diamante con angolo di apertura di 120 e raggio di raccordo di 0.2 mm - Sfera di acciaio temprato con durezza non inferiore a 850 HV e diametri 1/16, 1/8, 1/14, 1/2 pollice Carico in 2 tempi: Mantenimento della forza iniziale F 0 per un tempo specifico misura della profondità di assestamento Azzerare l indice delle scala delle profondità Applicazione di una forza aggiuntiva F 1 Mantenimento della forza totale per un tempo specifico (F t =F 0 +F 1 ) Rimozione della forza aggiuntiva F 1 Mantenimento della forza iniziale F 0 per un tempo specifico misura della profondità di penetrazione

50 Durezza Rockwell I parametri della prova cambiano a seconda del penetratore utilizzato e il valore della durezza sarà espresso in funzione della profondità di penetrazione con le seguenti formule: HR N e HRB = 130 e per prove con penetratore sferico HRC = 100 e per prove con penetratore conico N = numero specifico della scala e = aumento residuo della profondità di penetrazione in unità specifica della scala (unità specifica o mm)

51 Durezza Rockwell Designazione La durezza Rockwell è indicata con le lettere HR seguite da una lettera che indica la scala (HRB, HRC) Esempio 60 HRC 60 Valore della durezza Rockwell HR Simbolo della durezza Rockwell scala C

52 Durezza Rockwell Modalità di prova Superficie ben levigata, liscia e piana*, libera da ossidazione. Impronte distanziate tra loro e il bordo dist.centro impronta bordo 2.5 diametri d impronta (cmq > 1mm) dist. centri 2 impronte 4 diametri d impronta (cmq > 2mm) Permanenza del carico 1-8 s per il carico iniziale 1-15 s per il carico totale (a seconda della scala) Nessuna deformazione deve essere visibile sulla facciata opposta dopo a prova *Se la superficie è curva con raggio di curvatura inferiore a 25 mm i valori di durezza devono essere corretti con opportuni fattori

53 Vantaggi: Durezza Rockwell Durata della prova relativamente breve, in quanto il valore della durezza è direttamente visualizzato dopo il test. Il test può essere automatizzato. Costi relativamente limitati della macchina di prova grazie all assenza di dispostivi di misura ottici. Nessuna influenza dell operatore perché il valore di durezza è visualizzato direttamente sullo strumento. Tempi di addestramento dell operatore ridotti. Svantaggi: Poco indicato per testare materiali induriti superficialmente. Elevata suscettibilità del penetratore in diamante al danneggiamento (conseguenti errori di misura).

54 Prova di Microdurezza PROVA DI MICRODUREZZA: simile alla VICKERS ma impiega carichi inferiori P 1 kgf I penetratori sono di due tipi: Piramide a sezione quadrata VICKERS Piramide a base rombica tipo KNOOP, con rapporto tra le diagonali di 1/7 Impronta nella prova Vickers Penetratore Koop per microdurezza Valgono le relazioni: HV = HK = con P [kgf]

55 Prova di Microdurezza Schema di un durometro Apparecchio di misura per microdurezza

56 Prova di Microdurezza La prova di MICRODUREZZA serve in particolare quando: Misura su fogli sottili (fino a mm) Fili di piccolo diametro Controllo di processo nei trattamenti superficiali quali: cementazione, nitrurazione, carbonitrurazione Controllo di durezza per rivestimenti superficiali Misura della durezza dei microcomponenti Regole Generali Impronte di microdurezza Vickers Valgono le regole indicate precedentemente In più il pezzo deve presentare una superficie con un grado di rugosità molto basso

57 Prova di Durezza: ESERCIZI

58 Prova di Durezza: ESERCIZI 0,055 60

59 Prova di Durezza: ESERCIZI