DALLE FUNZIONI AL PRODOTTO

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1 DALLE FUNZIONI AL PRODOTTO Funzioni PROGETTAZIONE Specifiche Materie prime / Componenti PRODUZIONE Prodotto DALLE FUNZIONI AL PRODOTTO Progettazione del componente: materiale macro geometria micro geometria Che cosa considerare nella scelta del materiale prestazioni del materiale lavorazioni meccaniche sistema produttivo COSTI 1

2 DALLE FUNZIONI AL PRODOTTO Rame CATEGORIE Plastiche Legnami Metalli Ceramiche Compositi Gomme Vetro Alluminio Magnesio Fe-C Ottone (Cu+Zn) Bronzo (Cu+Sn) Oro... Acciai Ghise... Non esiste un materiale migliore in assoluto! COMPORTAMENTO DI UN MATERIALE Occorre conoscere i comportamenti dei materiali legati alle funzioni del componente. MATERIALE SOLLECITAZIONI carichi temperatura pressione umidità... PRESTAZIONI deformazioni del materiale frattura del materiale corrosione del materiale usura del materiale... 2

3 COMPORTAMENTO DI UN MATERIALE Come facciamo a caratterizzare il materiale per prevederne il comportamento? Livello atomico ANALISI DEI MATERIALI Livello microscopico Livello macroscopico COMPORTAMENTO DI UN MATERIALE Cosa otteniamo dall analisi dei materiali? Fisiche e chimiche PROPRIETA DEI MATERIALI Meccaniche Tecnologiche 3

4 PROPRIETA FISICHE E CHIMICHE Rientrano in questa categoria proprietà quali: PROPRIETA FISICHE E CHIMICHE Peso specifico Punto di fusione Dilatazione termica Resistenza alla corrosione Calore specifico Magnetismo Ecc. PROPRIETA MECCANICHE Sono quelle proprietà che riguardano la resistenza del materiale ai vari tipi di sollecitazione. Le prove normalizzate per quantificare le suddette proprietà possono essere così suddivise Statiche PROVE MECCANICHE Dinamiche Periodiche di Scorrimento 4

5 PROPRIETA MECCANICHE PROVE STATICHE Quando il carico viene applicato lentamente (minuti) PROVE STATICHE Prove di trazione Prove di compressione Prove di flessione Prove di torsione Prove di taglio Prove di durezza PROPRIETA MECCANICHE PROVE DINAMICHE Quando il carico viene applicato velocemente (frazioni di secondo) Per definire l influenza della velocità di applicazione del carico sulla resistenza alla deformazione del materiale e per valutare la resistenza alla rottura per urto PROVE DINAMICHE Prove di resilienza 5

6 PROPRIETA MECCANICHE PROVE PERIODICHE Quando il carico viene fatto variare periodicamente nel tempo (legge sinusoidale e periodo di frazioni di secondo) Queste prove permettono di valutare la resistenza a fatica del materiale PROVE PERIODICHE Prove di fatica PROPRIETA MECCANICHE PROVE DI SCORRIMENTO Quando il carico, raggiunto un determinato valore, viene mantenuto costante anche per un tempo molto lungo (decine e a volte migliaia di ore) 6

7 PROPRIETA TECNOLOGICHE Sono quelle proprietà che riguardano l attitudine dei materiali ad essere lavorati mediante i vari processi tecnologici PROVE MECCANICHE Le proprietà meccaniche si misurano eseguendo delle prove sul materiale. Prova di trazione, Prova di durezza... Per poter comparare misure diverse è necessario che le prove siano eseguite nelle medesime condizioni. Normative ISO, CEN e UNI regolamentano le condizioni nelle quali le prove devono essere eseguite. 7

8 PROVA DI DUREZZA Nel campo dei metalli si definisce come durezza la resistenza che il metallo preso in considerazione oppone all'azione di un penetratore cui sia applicato un carico statico. PROVA DI DUREZZA: Prova Brinell La prova consiste nel far penetrare nel pezzo in esame una sfera in metallo duro o acciaio di diametro "D" mediante applicazione di un carico "F" e nel misurare il diametro "d" dell'impronta lasciata dal penetratore sulla superficie del pezzo, dopo avere tolto il penetratore. Durezza Brinell HB = F S S = πdh = πd D D d 2 2F HB = πd D D d F: carico applicato (N) S: area della superficie dell'impronta (mm 2 ) h: profondità dell'impronta; d: diametro dell'impronta 8

9 PROVA DI DUREZZA: Prova Brinell Per confrontare valori di durezza ottenuti con prove differenti è necessario che l affondamento del penetratore nel materiale sia comparabile nelle diverse prove. Prova ideale Valori accettabili d D d D = [ ] β PROVA DI DUREZZA: Prova Brinell Condizioni normali di prova Brinell: Norma UNI EN HB D/F/t =... I valori normali di F, D e t sono D = mm F = k 9.8 D 2 [N] t = appl. 2-8 s permanenza s Il penetratore deve agire su una superficie liscia e piana, esente da ossidi ed impurezze superficiali. Lo spessore minimo del pezzo da provare deve essere almeno 8 volte la profondità dell'impronta. In considerazione della durezza della sfera di acciaio si raccomanda di evitare l'impiego della prova Brinell su materiali aventi durezza HB superiore a 450. Prove successive non devono essere troppo vicine (distanza centri > 4d). 9

10 PROVA DI DUREZZA: Prova Brinell HBS sfera in acciaio HBW sfera in metallo duro 300 HBS 5/750/10 Durezza Brinell 300 Sfera in acciaio di diametro 5 mm Carico di prova 750 kgf (7355N) Tempo di permanenza del carico 10 s PROVA DI DUREZZA Durezza per confronto: consiste nel comprimere una sfera (di diametro D) fra il materiale in esame e un pezzo campione di cui si conosce la durezza. Permette di eseguire prove su pezzi per i quali non è possibile utilizzare il normale durometro, ma il valore che si ottiene non è a rigore confrontabile con quelli ottenuti rispettando le norme 10

11 PROVA DI DUREZZA Durezza per confronto: Materiale X d X F = HBn Sn = HBx Sx Materiale noto d n HBx D = HB n D 2 2 D dn 2 2 D d x PROVA VICKERS Il penetratore è costituito da una piramide retta, a base quadrata, di diamante, con l'angolo al vertice (angolo fra due facce opposte) di 136. HV HV F = S F = d F sen(136 / 2) HV = 2 d 11

12 PROVA VICKERS Forma dell impronta Vickers CONDIZIONI NORMALI DI PROVA VICKERS HV F/t = HV 30/15 I valori normali di F e t sono F = 294 N t = 15 sec PROVA VICKERS La prova si svolge applicando un carico di 294 N per s. Possono essere anche usati carichi diversi, ma sempre compresi nell'intervallo N. Lo spessore del pezzo da provare non deve essere minore di 1,5 volte la diagonale dell'impronta. Posizione tra due impronte deve essere maggior di 2.5 volte la diagonale dell'impronta. La grandezza d deve essere pari alla media aritmetica delle misure delle due diagonali dell impronta. Norma UNI EN ISO

13 PROVA ROCKWELL Possono essere definite due diverse scale B e C a seconda che il penetratore sia una sfera di acciaio temprato e levigato (scala B) o sia un cono di diamante a base circolare con punta arrotondata ed angolo al vertice di 120 (scala C). Norma UNI EN PROVA ROCKWELL La sequenza delle prove è la seguente: Al penetratore accostato alla superficie del pezzo viene applicato un carico iniziale F0 che determina una lieve penetrazione iniziale Si azzera l indicatore di profondità del durometro e quindi si applica (in un tempo di 5 10 secondi) il carico addizionale F1 13

14 PROVA ROCKWELL Trascorsi 30 secondi, il carico addizionale F1 viene tolto e la profondità dell impronta diminuisce leggermente a causa del recupero elastico del materiale Viene rilevato quindi l accrescimento rimanente (definito con e) della profondità dell impronta, da cui si deduce la durezza rockwell PROVA ROCKWELL HRB = 130 e Scala B F0 = 98 N (precarico) N.B. : F + F = 980 N (carico) 0 1 e in unità di mm 14

15 Scala C PROVA ROCKWELL HRC = 100 e F0 = 98 N (precarico) F0 + F1 = 1470 N (carico) PROVA DI DUREZZA Confronto fra scale di durezza 15

16 PROVE DI MICRODUREZZA Prove di durezza con impronte molto piccole (singolo costituente cristallino o strato indurito mediante trattamento termico) I carichi applicati sono più bassi (0.025 N - 10N) Dipendente dal carico di prova. Affinché il valore di durezza abbia significato deve essere indicato anche il carico di prova PROVE DI MICRODUREZZA Prove di durezza con impronte molto piccole (singolo costituente cristallino o strato indurito mediante trattamento termico) I carichi applicati sono più bassi (0.025 N - 10N) Dipendente dal carico di prova. Affinché il valore di durezza abbia significato deve essere indicato anche il carico di prova 16

17 PROVA DI RESILIENZA Scopo: valutare il comportamento del materiale soggetto ad un urto Tipi di rottura TENACE FRAGILE Fattori influenti velocità di deformazione presenza di intagli temperatura Si definisce infatti resilienza di un materiale la sua resistenza alle sollecitazioni dinamiche quali: urti e strappi PROVA DI RESILIENZA La prova di resilienza consiste nel sollecitare per urto una provetta in modo da causarne la rottura per flessione o per trazione (strappo). L energia assorbita dal materiale viene assunta come valore della resilienza stessa 17

18 K... = L [] J PROVA DI RESILIENZA Macchina di prova L: lavoro assorbito mg (h 1 h 2 ) Metalli Ferrosi Metalli non Ferrosi E 0 = 296 J E 0 = 70 J PROVA DI RESILIENZA Provino e condizioni di prova R 0.25 mm 45 Charpy 2 mm R 1 mm Mesnager 2 mm 18

19 PROVA DI RESILIENZA PROVA DI RESILIENZA Resilienza [J] L acciaio (A) presenta una maggiore resilienza a temperature elevate rispetto all acciaio (B), ma il comportamento cambia decisamente per temperature inferiori. Temperatura [ C] 19

20 PROVA DI FATICA Fatica: fenomeno che porta alla rottura di tipo fragile materiali (anche tenaci) sottoposti a sollecitazioni cicliche al disotto del limite elastico. Scopo delle prove di fatica: determinare il numero di cicli necessario per portare a rottura il materiale. Tipi di sollecitazione nelle prove di fatica e relativi cicli realizzabili in ciascun caso. PROVA DI FATICA Esempi di sollecitazioni cicliche σ t Alterno Simmetrico Alterno Asimmetrico Pulsante Ondulato Pulsante 20

21 PROVA DI FATICA Risultati di prove di fatica: curve σ-n (di Wöler) acciaio lega di alluminio Carico massimo (MPa) Carico massimo (MPa) Resistenza a fatica: Limite di fatica: Numero di cicli Numero di cicli ampiezza della sollecitazione che rompe il provino a N cicli. resistenza a fatica per N PROVA DI FATICA Formazione progressiva della cricca semiasse di autocarro Rottura di schianto Fattori tecnologici che influenzano la resistenza a fatica Rugosità superficiale Tensioni superficiali di trazione Tensioni superficiali di compressione (pallinatura, rullatura) Durezza superficiale (trattamenti termochimici) 21