Proprietà meccaniche. Risposta ad una forza o ad un carico applicato

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1 Proprietà meccaniche Come vengono misurate le proprietà meccaniche di un materiale e cosa rappresentano? Qual è la loro relazione con la lavorazione del materiale e con la sua struttura? Note le proprietà progettare un materiale Risposta ad una forza o ad un carico applicato Natura del carico (di trazione, di compressione o di taglio; costante o variabile nel tempo) Durata (frazione di secondo fino a molti anni) Condizioni ambientali (es. temperatura di esercizio) Rigidità Resistenza Tenacità Durezza PROVE E INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI AFFIDABILI Aspetti della produzione e fabbricazione dei materiali in modo che siano garantiti i requisiti dettati dall analisi teorica o sperimentale degli sforzi fatta sulle componenti del sistema da utilizzare

2 Sforzo e Deformazione Prova Sforzo Deformazione CONDIZIONI Carico statico o che varia in modo relativamente lento nel tempo Carico applicato uniformemente sulla sezione o sulla superficie del materiale

3 Prova di trazione Deformare fino a rottura un provino applicando, lungo il suo asse principale, un carico gradualmente crescente Provini di forma e dimensioni standard Sezione cilindrica Sezione rettangolare Forma ad osso di cane Per confinare le deformazioni dovute alla trazione nel tratto centrale MISURA CONTINUA E SIMULTANEA CARICO APPLICATO (CELLA DI CARICO) ALLUNGAMENTO (ESTENSIMETRO) LE CARATTERISTICHE SFORZO-DEFORMAZIONE DIPENDONO DALLE DIMENSIONI DEL PROVINO SFORZO NOMINALE s σ = F A 0 ( MPa = 10 6 N/m 2 ) DEFORMAZIONE NOMINALE e Carico istantaneo applicato alla sezione Area sezione prima del carico ε = l i l 0 l 0 = l l 0 (adimensionale, m/m) Allungamento

4 Prova di compressione Deformare fino un provino applicando, lungo il suo asse principale, un carico gradualmente crescente MISURA CONTINUA E SIMULTANEA CARICO APPLICATO (CELLA DI CARICO) COMPRESSIONE (ESTENSIMETRO) IN PRESENZA DI MATERIALI FRAGILI PER I QUALI PROVE DI TRAZIONE SONO DIFFICOLTOSE STUDIO MATERIALE SOTTOPOSTO A DEFORMAZIONI INTENSE E PERMANENTI LE CARATTERISTICHE SFORZO-DEFORMAZIONE DIPENDONO DALLE DIMENSIONI DEL PROVINO SFORZO NOMINALE s σ = F A 0 < 0 ( MPa = 10 6 N/m 2 ) DEFORMAZIONE NOMINALE e Carico istantaneo applicato alla sezione Area sezione prima del carico ε = l i l 0 l 0 = l l 0 < 0 (adimensionale, m/m) Compressione

5 Prove di taglio e di torsione SFORZO DI TAGLIO t τ = F A 0 MOVIMENTO DI ROTAZIONE RISPETTO ALL ASSE LONGITUDINALE DI UN ESTREMITÀ L UNA RISPETTO ALL ALTRA ANGOLO DI DEFORMAZIONE DEFORMAZIONE DI TAGLIO g γ = tgθ SFORZO DI TAGLIO t DIPENDE DA TORSIONE T DEFORMAZIONE DI TAGLIO g DIPENDE DA F PROVE FATTE SU BARRE CILINDRICHE, TUBI

6 Sforzo e Deformazione FORZE APPLICATE A SUPERFICIE PIANE SE SUPERFICIE FORMANO UN ANGOLO CON LA FORZA 0 O 90 LE COSE SONO PIÙ COMPLESSE DEFORMAZIONE DIPENDE DALL ORIENTAZIONE DEL PIANO

7 Deformazione elastica σ = Eε SFORZI DITRAZIONE E CARICHI RELATIVAMENTE BASSI LEGGE DI HOOKE DEFORMAZIONE ELASTICA Modulo elastico (o di Young) RIGIDITÀ DEL MATERIALE (RESISTENZA ALLA DEFORMAZIONE) Es. ghisa, calcestruzzo, alcuni polimeri COMPORTAMENTO ELASTICO MA NON LINEARE

8 Deformazione elastica A livello microscopico che accade? DEFORMAZIONE ELASTICA PICCOLE VARIAZIONI DELLA DISTANZA INTERATOMICA E DELLO STIRAMENTO DEI LEGAMI INTERATOMICI MODULO ELASTICO MISURA DELLA RESISTENZA OPPOSTA ALLA SEPARAZIONE TRA DUE ATOMI ADIACENTI MISURA DELLE FORZE DI LEGAME INTERATOMICO E df dr 0

9 Deformazione elastica A livello microscopico che accade? DEFORMAZIONE ELASTICA PICCOLE VARIAZIONI DELLA DISTANZA INTERATOMICA E DELLO STIRAMENTO DEI LEGAMI INTERATOMICI MODULO ELASTICO MISURA DELLA RESISTENZA OPPOSTA ALLA SEPARAZIONE TRA DUE ATOMI ADIACENTI MISURA DELLE FORZE DI LEGAME INTERATOMICO E df dr 0

10 Deformazione elastica A livello microscopico che accade? DEFORMAZIONE ELASTICA PICCOLE VARIAZIONI DELLA DISTANZA INTERATOMICA E DELLO STIRAMENTO DEI LEGAMI INTERATOMICI MODULO ELASTICO MISURA DELLA RESISTENZA OPPOSTA ALLA SEPARAZIONE TRA DUE ATOMI ADIACENTI MISURA DELLE FORZE DI LEGAME INTERATOMICO E df dr 0 E(T)

11 Deformazione elastica PER BASSI LIVELLI DI SOLLECITAZIONE CURVA SFORZO-DEFORMAZIONE È LA STESSA IN CASO DI COMPRESSIONE E TRAZIONE CURVA SFORZO-DEFORMAZIONE DITAGLIO DEFINITA DA τ = Gγ MODULO DI TAGLIO

12 Anelasticità ASSUNZIONE: Risposta Istantanea e costante nel tempo ad una sollecitazione o alla rimozione della Sollecitazione Una componente della Deformazione Elastica dipende dal Tempo In seguito alla Applicazione o Rimozione del carico LA RISPOSTA NON È ISTANTANEA Anelasticità DOVUTO A PROCESSI MICROSCOPICI ED ATOMICI CHE SI SVILUPPANO NEL TEMPO E CHE ACCOMPAGNANO LA DEFORMAZIONE PER I METALLI : PICCOLA PER ALCUNI POLIMERI : SIGNIFICATIVA COMPORTAMENTO VISCOELASTICO

13 Proprietà elastiche dei materiali Deformazione lungo l asse di Applicazione dello Sforzo: e z Deformazione nel piano x,y e x e e y SE MATERIALE È ISOTROPO: e x = e y RAPPORTO DI POISSON n = ε x ε z = ε y ε z > 0 Materiali Isotropi (es. policristalli, vetri ceramici) n = 0.25 e n max =0.5 (nessuna variazione di volume) E= 2G (1+n) Materiali Elasticamente Anisotropi Diverse costanti elastiche Numero dipende dalla struttura cristallina

14 Deformazione plastica Deformazione elastica fino a deformazioni pari a Deformazione permanente e non recuperabile DEFORMAZIONE PLASTICA Rottura di legami tra atomi vicini Movimento relativo di un gran numero di atomi o molecole Formazione di nuovi legami tra nuovi atomi adiacenti Deformazione materiali CRISTALLINI: per scorrimento (movimenti di dislocazioni) NON CRISTALLINI: meccanismo di flusso viscoso PROCESSO GRADUALE

15 Proprietà a trazione PER ALCUNI ACCIAI Snervamento e Sforzo di Snervamento Valore dello sforzo oltre il quale inizia la Deformazione Plastica Per convenzione SE PROCESSO GRADUALE LIMITE DI PROPORZIONALITÀ Se andamento curva sforzodeformazione elastica non è lineare Lo sforzo per snervamento è definito per convenzione come quello richiesto per produrre una certa deformazione SFORZO DI SNERVAMENTO Misura della Resistenza che il materiale oppone ad essere deformato Plasticamente s s AL 35 MPA ACCIAI 1400 MPA

16 Proprietà a trazione Sforzo di Rottura alla trazione ( tensile strength, TS, resistenza alla trazione s R ) Sforzo massimo che può essere sostenuto dalla struttura Se viene raggiunto e mantenuto ROTTURA STRIZIONE Tutte le deformazioni successive localizzate in quella sezione s R AL 50 MPA ACCIAI 3000 MPA Per progettare un componente si utilizza SFORZO DISNERVAMENTO Non si vuole arrivare mai alla Deformazione Plastica!!!

17 Proprietà a trazione Duttilità Misura della deformazione plastica che il materiale può subire senza rompersi Materiale con poca o inesistente deformazione plastica (< 5%) FRAGILE ALLUNGAMENTO PERCENTUALE A% A% = l f l 0 l 0 Allungamento della Frattura 100 A% DIPENDE DALLA LUNGHEZZA DEL PROVINO DUTTILITÀ DIPENDE DAT DIMINUISCE AL CRESCERE DI T (GLI ATOMI/LE MOLECOLE SONO MENO LEGATI) RIDUZIONE PERCENTUALE DELLA SEZIONE S% Duttilità S% = A f A 0 A Indica il grado a cui una struttura può deformarsi senza rompersi Il grado di deformazioni a cui possono essere sottoposti materiali senza rompersi durante la fabbricazione dei componenti

18 Proprietà a trazione Eventuali precedenti deformazioni Presenza di impurezze nel materiale Trattamenti termici a cui il materiale è stato sottoposto La temperatura del materiale con T aumentano E, s s, s R diminuisce A% Ferro

19 Proprietà a trazione Resilienza Capacità di un materiale di assorbire energia se sottoposto a deformazione elastica e poi rilasciarla in fase di scarico MODULO DI RESILIENZA U r (J/m 3 ) Energia per unità di volume necessaria per portare il materiale dallo stato senza carico allo snervamento ε sσ U r = න dε 0 Se curva S-D lineare U r = 1 2 σ sε s = 1 2 σ s σ s 2 E = σ s 2E MATERIALI AD ALTA RESILIENZA COSTRUZIONE DI MOLLE!!!!

20 Proprietà a trazione Tenacità Resistenza alla frattura di un materiale in presenza di intagli o punti di concentrazione di sforzo Capacità di un materiale di assorbire energia e deformarsi plasticamente prima di giungere a rottura Sollecitazione Dinamica + Presenza di intagli TENACITÀ DELL INTAGLIO Sollecitazione Statica (bassa velocità della deformazione) Area sottesa curva S-D

21 Sforzo e Deformazione reali Correzione tenendo conto solo degli stati di tensione assiali (in corrispondenza della strizione, formazione di stati tensionali in direzioni non assiali) Dopo il punto M, corrispondente allo sforzo alla rottura, SFORZO DIMINUISCE ALL AUMENTARE DELLA DEFORMAZIONE STRIZIONE IL PROVINO HA UNA MINORE CAPACITÀ DI SOPPORTARE GLI SFORZI Sforzo reale, s R Deformazione reale, e R σ R = F A i SEZIONE ISTANTANEA ε R = ln l i l 0 σ R = σ(1 + ε) Se non c è variazione di volume A i l i = A 0 l 0 ε R = ln(1 + ε)

22 Sforzo e Deformazione reali Per alcuni metalli e leghe La curva S-D nella regione tra l inizio dello snervamento e il punto di inizio della sfrizione σ R = K ε R n K e n costanti che dipendono dal materiale, dallo stato del materiale e dalla sua precedente storia (deformazione, trattamento termico,..) n < 1 esponente di incrudimento

23 Recupero elastico dopo deformazione plastica Un recupero elastico si ottiene anche in corrispondenza alla frattura

24 Deformazione a compressione, a taglio e a torsione Comportamento identico della curva S-D Elastico (+ eventualmente Plastico) Nel caso della compressione non c è massimo della curva S-D poiché non c è sfrizione Meccanismo di rottura è diverso

25 Durezza Misura della resistenza offerta da un materiale alla deformazione plastica Realizzato usando un piccolo incisore o penetratore SCALA QUALITATIVA : MOHS (1 A 10) Capacità di un materiale di riuscire a penetrare un altro più morbido SCALE QUANTITATIVE: VALORI NON ASSOLUTI MA RELATIVI E LEGATI AL TIPO DI TECNICA Usano un piccolo penetratore (forma, dimensioni e materiale definito) forzato a penetrare la superficie del materiale secondo modalità di applicazione del carico e velocità di penetrazione controllate. La profondità (o dimensione dell impronta) misurata associato indice di durezza Semplici e poco costose (No grandi preparazioni preliminari del campione, strumentazione non costosa) Prova non distruttiva a parte piccola impronta Lo sforzo di rottura può essere valutato da misura di durezza AFFIDABILITÀ MISURA Spessore del Provino 10 volte profondità impronta La distanza tra 2 centri di 2 impronte o tra centro impronta a bordo 3D impronta Mai impronte con provini sovrapposti Superficie levigata e piana

26 Prova di durezza di Rockwell ROCKWELL ROCKWELL SUPERFICIALE Differenza di profondità delle impronte generate da un piccolo carico iniziale (10kg R; 3 Kg Rsup) e da un successivo carico maggiore Es. 80HR B o 20HR 45T Scala Durezza: max 130 Valori <20 o > 100 poco affidabili conveniente usare un altra scala!

27 Prova di durezza di Brinell Carichi standard da 500 a 3000 Kg, incrementi 500Kg Carico costante per un certo tempo (10-30 s) Diametro impronta misurato microscopio a basso ingrandimento, nel cui oculare scala di misura Metodi semiautomatici: macchina fotografica su sonda flessibile Finitura superficiale (superficie piana e levigata meglio!!!)

28 Prova di durezza di Knoop e Vickers Carichi standard da 1 a 1000g Impronta osservata a microscopio ottico Da utilizzare in materiali fragili (ceramici) o per misure di durezza su piccole aree o regioni specifiche Superficie attentamente preparata (pulita, piana e levigata)

29 Confronto tra scale di durezza Relazione tra durezza e sforzo di rottura a trazione Deformazione Plastica In molti materiali metallici: σ R MPa = HB