Mtll Metallurgia Prove meccaniche

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1 Introduzione al corso Mtll Metallurgia Prove meccaniche Prof. Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25 Orario di ricevimento: i Mercoledì Tel.-fax iacoviello@unicas.itit Sito didattico:

2 Sommario delle grandezze meccaniche relative alla prova di trazione σ = E ε E = modulo di Young ε tr = ν ε long ν = coefficiente di Poisson τ = G γ G = E/[2(1+ν)] [( ε = λ ΔT λ = costante di dilatazione i termica

3 Metallo λ Acciaio Alluminio i Argento Bronzo Invar σ Materiale E[GPa] Acciaio Rame 120 Ottone Al - leghe Al ε legno (lungo fibre) 8-12

4 Rame ricotto (velocità 20 volte più elevata del normale) Rame incrudito (velocità 20 volte più elevata del normale)

5 Coppa Cono

6 Prova di trazione con strizione (necking) Simulazione i del meccanismo di strizione (scorrimento dei piani cristallini)

7 Prova di trazione Si fa riferimento i alla normativa UNI EN 10002/1 Prove meccaniche L 0 = 5.65 S 0 per provette piatte L 0 = 5 d Diametro della sezione calibrata d del provino a sezione circolare Spessore della provetta piatta a Larghezza della provetta piatta b Lunghezza iniziale fra i riferimenti L 0 Lunghezza parte calibrata L c Lunghezza totale L t Lunghezza ultima fra i riferimenti L u Lu L0 A Allungamento percentuale dopo rottura 100 L 0 Sezione iniziale parte calibrata S 0 Sezione minima dopo rottura S u S0 S u Z Coefficiente percentuale di strizione 100 S 0

8 ΔL/L 0 t = s -1 Δσ/t < 30 N/mm 2 s Carico di snervamento superiore F eh Carico di snervamento inferiore F el Carico di scostamento dalla proporzionalità F P Carico limite di allungamento totale F t Carico limite di allungamento permanente F r Carico massimo F m Carico ultimo F u

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10 Strizione Frattura duttile Frattura fragile

11 La zona lineare può essere descritta dalla legge di Hooke σ =Eε Dopo lo snervamento si ha l incrudimento, descrivibile da una correlazione del tipo: σ =kε n Materiale Trattamento n k [MPa] Acc. 0.5% C Ricotto Acc.0.6% C Bonif. 540 C Acc.0.6% C Bonif. 705 C Rame Ricotto Ottone Ricotto

12 Trasformazione della curva ingegneristica nella curva reale Prove meccaniche Δ L L 1 = L Df Deformazione ingegneristica iti ε = Deformazione reale ε * L = L 0 0 dl L 0 = ln L L 0 dl L L 0 L L * ε = 1 ε + 1 = ε = ln 1 + L 0 L L A 0 A 0 L 0 = A L = L A 0 0 ( + ε ) * F F A 0 L σ = = = σ = σ 1 + A A A L 0 0 ( ε )

13 Trasformazione della curva ingegneristica nella curva reale Prove meccaniche

14 Materiale R m [MPa] R el [MPa] A% E[MP [MPa] C CrMo CrMo = 14CrMo > G20Mo = Ghisa grigia non legata = = Ghisa nodul. ferr CuNi20Fe Inconel X = = Al-Cu-Mg

15 Prova di durezza Prove meccaniche Nel campo dei metalli si definisce come durezza la resistenza che il metallo preso in considerazione oppone all'azione azione di un penetratore cui sia applicato un carico statico. Il penetratore normalmente deve agire su una superficie liscia e piana, esente da ossidi ed impurezze superficiali.

16 Prova Brinell (UNI ) Prove meccaniche La prova consiste nel far penetrare nel pezzo in esameunasfera di acciaio molto duro 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. HB = F 2 2 π D [ D D d ] I valori normali di F e di D sono F = N (=3000 kgf) D=10mm R m = h HB m h = 1/3 per acciai da costruzione

17 Simulazione di una prova di nano-durezza effettuata su un monocristallo di Cu. La durezza può essere correlata con la densità di dislocazioni i i

18 Nel caso della prova Brinell, è essenziale considerare il problema della similitudine geometrica : 2 φ = costante Questa condizione è difficile da raggiungere, quindi ci si accontenta di ottenere un rapporto d/d compreso fra due estremi pari a: 0.25<d/D<0.5 Questo coincide con l accettare prove effettuate con: 120 <2φ<151 φ

19 La procedura è la seguente: Si sceglie una coppia F,D in modo da ottenere un rapporto F/D 2 pari ad uno dei seguenti valori: 30, 20, 10, 5, 2.5, 1.25, 0.5 Si effettua la prova, ottenendo d. Si calcola d/d. Se il valore ottenuto è contenuto nell intervallo, la prova è valida. Se il valore è più levato, vuol dire che il materiale non è molto duro e va quindi scelto un rapporto F/D 2 più piccolo. Se il valore è più basso, il materiale è troppo duro, e va quindi scelto un valore F/D 2 più alto.

20 Prova Vickers (UNI ) Prove meccaniche 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. La prova si svolge applicando un carico di 294 N ( = 30 kgf) per s. Possono essere anche usati carichi diversi, ma sempre compresi nell'intervallo N ( = kgf) La durezza Vickers è data dalla formula: HV = F/d 2

21 Prova Rockwell (UNI ) Prove meccaniche 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).

22 Prova Rockwell (UNI ) La prova si svolge nel seguente modo: Prove meccaniche - Viene applicato un precarico iniziale F 0 =98N - si azzera l'indicatore di profondità; - si applica un secondo carico F 1 pari a 980 N nel caso della scala B, pari a 1470 N nel caso della scala C; - dopo 30 s il carico F 1 viene tolto, lasciando il carico F 0 applicato sul penetratore, immerso nel pezzo per un certo tratto "e"(l'unità di misura adottata per "e" è mm); - la durezza Rockwell (HRB oppure HRC) è dt data dll dalla differenza fra 100 ed il valore dell'accrescimento rimanente "e" della profondità dell'impronta

23 Durezza Brinell Acciai per molle (allo stato di ricottura di lavorabilità) C C C C C Si CrV4 250 Durezza Brinell Leghe di Rame P-CuAl P-CuAl G-CuZn40 70 G-CuZn36Si1Pb1 110

24 Ghise malleabili GMB GMB GMB GMB GMN GMN GMN GMN Prove meccaniche Durezza acciai legati inossidabili Acciaio HB HRB X12Cr13 (Ricotto) X6CrAl13 (Ricrist.) X2CrNiMo Durezze ottenibili Cementazione 700 HV Nitrurazione 1200 HV Berilliatura 2000HV

25 Prova di resilienza Prove meccaniche Le rotture possono avvenire per carichi inferiori al limite elastico. Ciò avviene in condizioni particolari, in corrispondenza delle quali il metallo tll mostra un comportamento t fragile. I ftt fattori principali i sono: La triassialità degli sforzi. L abbassamento della temperatura. L aumento della velocità di deformazione. L aumento delle dimensioni del pezzo. La prova Charpy consiste it nel rompere con un colpo di pendolo dl un provino intagliato. Tale provino viene colpito al centro, dopo essere stato opportunamente posizionato su due appoggi. Dal risultato della prova si ottiene l energia W assorbita durante il colpo del maglio. La resilienza è pari all energia assorbita per unità di superficie (espressa in J/cm 2 ).

26 Provino di resilienza

27 Esecuzione prova Charpy Prove a bassa temperatura Provino ad elevata resilienza Provino a bassa resilienza

28 Temperatura di transizione T t

29 Acciaio basso tenore di C

30 Acciaio inossidabile austenitico

31 La resilienza può diminuire per diverse ragioni: Progettazione errata: - errata valutazione delle realisollecitazioni - eccessive concentrazioni degli sforzi (intagli, diminuzioni improvvise di sezione) - acciaiocont ii t troppo elevata - saldature troppo numerose o con ubicazione infelice - eccessiva rigidezza Processo di fabbricazione (al crescere del tenore di O 2 aumenta la T t ) Lavorazione a caldo: al crescere della T di fine lavorazione aumenta la T t Trattamento termico: Fragilità al rinvenimento, i tipica i degli acciai i al Cr. Aumenta con la presenza di N, P, Mg, Sn, V e viene fortemente ridotta dal Mo

32 Influenza elementi di lega sulla fragilità degli acciai C: aumenta R, diminuisce duttilità, aumenta T t Mn: per tenori <1.5% si ha diminuzione T t. Se il rapporto Mn/C cresce si ha diminuzione della T t Al: aggiunto per disossidare il bagno, fa diminuire la dimensione del grano. Al di sopra del 0.1% residuo l effetto diviene negativo Ni: T t diminuisceisce fortemente. Al disopra del 13% la transizioneione scompare S: fino allo 0.04% non influisce P: si ha un aumento della T t di 7-8 C ogni 0.01% di aggiunta Si: fino al % fa diminuire la T t Cr: fino allo 0.9% non non ha influenza. Aumenta fortemente la suscettibilità al fenomeno della fragilità al rinvenimento. Mo: fa diminuire la T t

33 Influenza del C sull andamento della resilienza e sulla temperatura di transizione Influenza del Mn e dell Al sull andamento della resilienza

34 Principi di Meccanica della Frattura Le strutture sono normalmente progettate in modo che le sollecitazioni esterne non superino in alcun punto il limite di elasticità del metallo. Una specifica di progetto di questo tipo mette la struttura al riparo da una rottura classica di tipo duttile. Tuttavia altre modalità di rottura sono spesso osservate (fragile oppure semi-fragile). Questo evento può avere luogo in circostanze diverse da quelle usuali, quali, ad esempio: - basse temperature; - elevate velocità di applicazione del carico; - difetti preesistenti oppure generatesi durante il servizio

35 Se si considera una piastra infinita di un materiale perfettamente elastico nella quale sia presente una fessura passante di lunghezza 2aedispessore trascurabile, lo sforzo normale σ n, in prossimità dell apice della cricca, ortogonale al piano della fessura stessa, è legato alla geometria della cricca attraverso un parametro K I detto il fattore di intensità delle tensioni (modo I). Tale intensificazione delle tensioni è dovuta proprio alla presenza contemporanea di sollecitazioni esterne e di una discontinuità della matrice metallica.

36 Se si considera una piastra infinita di un materiale perfettamente elastico nella quale sia presente una fessura passante di lunghezza 2aedispessore trascurabile, lo sforzo normale σ n, in prossimità dell apice della cricca, ortogonale al piano della fessura stessa, è legato alla geometria della cricca attraverso un parametro K I detto il fattore di intensità delle tensioni (modo I). Tale intensificazione delle tensioni è dovuta proprio alla presenza contemporanea di sollecitazioni esterne e di una discontinuità della matrice metallica. K =α a I σ π

37 K C Tenacità a frattura Resistenza che offre il materiale alla propagazione della cricca K Fattore di intensificazione degli sforzi Sollecitazione cricca

38 Modi principali p di sollecitazione (in base alla direzione di applicazione del carico rispetto alla cricca) Prove meccaniche

39 Propagazione della cricca rispetto alla direzione di laminazione Lungo la direzione di laminazione L Trasversale T Corto (Short, S )

40 Determinazione K IC (ASTM E399) Prove meccaniche La metodologia è basata su prove di trazione o di flessione su tre punti effettuate su provette intagliate e precriccate a fatica. Durante queste prove di trazione o di flessione si registra la curva caricoapertura dell apice dell intaglio (Load-COD, ove per COD si intende Crack Opening Displacement) e si determina il carico che corrisponde ad una propagazione della cricca del 2%.

41 Le condizioni che devono essere prese in considerazione affinché il risultato sia valido sono: La zona plastica all apice della cricca deve essere trascurabile rispetto alle dimensioni del provino, in modo che il comportamento sia il più possibile elastico. Le dimensioni del provino devono essere sufficienti da assicurare per la prova delle piene condizioni di deformazione piana. K IC a, B 25. K Q = R e 2 FQ = BW 0.5 a f W

42 Acciai alto-resistenziali Acciai maraging Leghe di Al Leghe di Ti R s, MPa

43 Difetti ed anomalie nei metalli: Vacanze reticolari Dislocazioni Struttura policristallina Inclusioni non metalliche Porosità Segregazioni i Tensioni residue Rottura per fatica Rottura finale Striature di fatica Innesco cricca Prove meccaniche Le condizioni della superficie influenzano la resistenza a fatica L ambiente influenza la resistenza a fatica

44 Rottura per fatica Prove meccaniche Innesco di cricca Striature Linee di fatica Rottura finale per sovraccarico Innesco multiplo di cricca

45 Diagrammi di Wöhler Si possono distinguere tre zone diverse: - Zona della fatica plastica oligocicica (N n Δε p = cost) - Zona di vita a fatica limitata (N (σ - σ D ) n = cost) - Zona di vita a fatica illimitata

46 Meccanica della frattura e fenomeni di fatica (ASTM E647) Prove meccaniche da dn = C Δ K m

47 Meccanica della frattura e fenomeni di fatica (ASTM E647) Prove meccaniche da dn = C Δ K m

48 Possibilità di riduzione i dll della frequenza di rottura per fatica: Ottimizzare disegno del pezzo Scelta del metallo e del ciclo di lavorazione Controlli di accettazione dei semilavorati e dei pezzi finiti Controlli in esercizio Per migliorare il comportamento a fatica si può: Migliorare la finiturai dll della superficie i Incrudire superficialmente Indurire superficialmente Effettuare cicli di allenamento Proteggere contro attacchi corrosivi

49 Scorrimento viscoso Prove meccaniche E un fenomeno di deformazione continuamente crescente nel tempo, con il carico che resta costante nel tempo. I meccanismi principali sono legati ai processi di incrudimento e di recristallizzazione: Slittamentot piani icristallografici itll fii (movimento dislocazioni) Formazione sottograni Scorrimento del bordo dei grani Struttura migliore Si definisce temperatura omologa di un metallo To il rapporto fra la temperatura a cui si trova il metallo e la sua temperatura di fusione, entrambe espresse in K. Lo scorrimento viscoso inizia ad attivarsi per To superiori a

50 Scorrimento viscoso modalità di prova Prove meccaniche

51 T = costante σ = costante Predominio del processo di incrudimento con conseguente diminuzione della velocità àdi creep Equilibrio dei processi di incrudimento e di recristallizzazione Formazione microfessure per deformazione localizzata ai bordi grano

52 Cavità Carburi a bordo grano Turbina con palette fratturate Formazione di cavità dovute a creep e precipitazione di carburi a bordo grano

53 Tutti gli ostacoli alla restaurazione favoriscono la tenuta allo scorrimento viscoso: - struttura cristallina compatta (EC oppure CFC); - presenza di precipitati stabili termicamente; - dato che la rottura avviene essenzialmente per decoesione intergranulare, la presenza dei bordi grano è negativa; da questa considerazione ha origine lo sviluppo di metalli a solidificazione orientata o monocristallini.

54 Usura Prove meccaniche E dovuta alla interazione fra superfici in contatto ed in moto relativo. Consiste in una progressiva asportazione di metallo tll dll dalla superficie. Si possono distinguere: Usura adesiva: si hanno delle locali saldature in corrispondenza delle asperità superficiali, e può essere distinta in usura leggera (il ponte che si forma ha una resistenza inferiore dei due metalli base) oppure forte (il ponte ha una resistenza superiore).

55 Usura Prove meccaniche Usura abrasiva: si ha quando si ha l interposizione fra le superfici a contatto di particelle estranee dure. Usura corrosiva Usura erosiva Usura per fatica

56 Controlli non distruttivi Controlli radiografici Controlli gammagrafici Controlli con ultrasuoni Controlli magnetoscopici Controlli con correnti indotte Controlli con liquidi penetranti