3 PROVE MECCANICHE DEI MATERIALI METALLICI

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Ernesto Forte
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1 3 PROVE MECCANICHE DEI MATERIALI METALLICI 3.1 Prova di trazione Estensimetri La precisione e la sensibilità dello strumento variano a seconda dello scopo cui esso è destinato. Nella prova di trazione l incertezza strumentale dell estensimetro, sotto carico, non deve essere maggiore del 5% del valore di allungamento per il quale si misura il carico unitario. I dispositivi più utilizzati sono quelli che forniscono direttamente un segnale elettrico e si basano su diversi principi; in ogni caso il principio di funzionamento è quello di un trasduttore che trasforma una deformazione di tipo meccanico in una grandezza elettrica. Il loro impiego offre la possibilità di effettuare misure di deformazioni costanti o variabili nel tempo, anche nei casi dove non è possibile l applicazione di estensimetri di tipo meccanico (superfici curve, difficoltà di fissare l estensimetro meccanico al pezzo ecc.). I principali tipi si distinguono in estensimetri a resistenza, a semiconduttore e a variazione d induttanza. Estensimetri elettrici a resistenza o «strain gauges» Sono basati sul principio che un filo metallico percorso da corrente elettrica modifica la propria resistenza e- lettrica quando subisce un allungamento o un accorciamento secondo le leggi dell elasticità. Come dispositivi di misura, applicati sulla superficie di un corpo, danno luogo a una variazione di resistenza elettrica proporzionale alla deformazione che il corpo subisce. La misura della variazione di resistenza è fatta inserendo l estensimetro elettrico in un circuito costituito normalmente dall alimentatore, dall amplificatore del segnale e dallo strumento rilevatore (indicatore o registratore). Il dispositivo completo prende il nome di trasduttore, mentre la parte sensibile prende il nome di sensore: un estensimetro elettrico è costituito da 1

I dispositivi più utilizzati sono quelli che forniscono direttamente un segnale elettrico e si basano su diversi principi; in ogni caso il principio di funzionamento è quello di un trasduttore che

2 una resistenza ohmica, che funge da sensore, ed è formata da un sottile conduttore metallico (nicromo, manganina, costantana ecc.), che è disposto fra due strati isolanti. Il sensore ha elevata resistenza elettrica R (valori unificati: 60, 120, 350, 600, 1200 Ω), ed è disposto a griglia fra due strati isolanti e flessibili di resina epossidica, acrilica, fenolica ecc. Questo supporto viene incollato con adesivi speciali (colle ciano-acriliche) nella posizione interessata. La resistenza elettrica iniziale dipende dalla lunghezza, dall area della sezione trasversale e dalla resistività elettrica del sottile conduttore in riposo; qualora la parte sulla quale è stato incollato il «francobollo» subisca una deformazione, anche il «francobollo» subisce la stessa deformazione, e la resistenza elettrica del filo varia essendo variate le dimensioni iniziali di lunghezza e area della sezione. Si definisce fattore di taratura K il rapporto tra la variazione relativa di resistenza elettrica dell estensimetro e la deformazione della superficie della provetta su cui è installato quando è sottoposto a tensione uniassiale nella direzione del suo asse longitudinale. Pertanto: K = dove: R 0 è la resistenza iniziale dell estensimetro; R è la variazione della resistenza dell estensimetro; ε = L/L 0 è la deformazione subita lungo l asse longitudinale dell estensimetro, essendo L 0 la base di misura e L la variazione di lunghezza. R R 0 ε Il valore di K dipende dal tipo di lega impiegato per costruire la resistenza e normalmente il suddetto valore è compreso tra circa 2 e 4. Le sollecitazioni meccaniche causano variazioni molto piccole della resistenza elettrica rispetto a quella nominale, per esempio dell ordine di 1/1000 per variazioni di 1 MPa sull acciaio da costruzione, per cui si debbono adottare circuiti di misura costituiti da ponti di Wheatstone seguiti da amplificatori. Il suddetto ponte è poi particolarmente utile per compensare le variazioni di temperatura che si possono verificare durante la prova, le quali si riflettono sul valore della resistenza elettrica e di conseguenza sulla precisione dei risultati della misurazione. Il caso più semplice è riportato nella prima figura della pagina seguente, che illustra l estensimetro a tre resistenze; il metodo non è in grado di compensare automaticamente la variazione della temperatura, e perciò non si presta per misurazioni statiche che si protraggono per lungo tempo. Per bilanciare variazioni di temperatura si ricorre a particolari accorgimenti, ad esempio un ponte con due estensimetri, applicati uno nel senso della deformazione, l altro nel senso trasversale e inseriti su due rami contigui del ponte di Wheatstone. 2

Questo supporto viene incollato con adesivi speciali (colle ciano-acriliche) nella posizione interessata.

3 Sopra, misurazione con estensimetro elettrico a resistenza collegato a ponte: P) provetta; R x ) resistenza estensimetrica; R 1 ) resistenza variabile per l azzeramento iniziale del galvanometro; R 2, R 3 ) resistenze fisse del galvanometro; R) galvanometro; A) amplificatore. In questo caso (si veda l immagine sotto) l elemento R x è sensibile alla deformazione e alla temperatura e quello R t alla sola temperatura; ne consegue che la dipendenza di R x dalla temperatura viene annullata da quella uguale subita da R t. La compensazione della temperatura è soddisfacente anche per misurazioni prolungate nel tempo. Sono oggi disponibili anche estensimetri autocompensati adatti per un solo tipo di materiale (acciaio, alluminio, ottone ecc.), costruiti con la tecnica della fotoincisione con una particolare qualità di filo di cui è nota la variazione della resistività con la temperatura, in modo da compensare le dilatazioni termiche del materiale in esame. A fianco, misurazione con doppio estensimetro elettrico a resistenza con collegamento a ponte per la compensazione della temperatura: P) provetta; R x ) resistenza estensimetrica; R t ) resistenza conpensatrice; R 1 ) resistenza variabile per l azzeramento iniziale del galvanometro; R 2 ) resistenza fissa; R) galvanometro; A) amplificatore. Estensimetri a semiconduttore Con questi estensimetri, costituiti da uno strato sottile di materiale semiconduttore, normalmente silicio, si consegue un notevole aumento della sensibilità in quanto il valore del fattore di taratura K è dell ordine di rispetto a 2 4 degli ER a filo. Gli estensimetri a semiconduttore funzionano per effetto della piezoresistività: questa consiste nelle variazioni della resistività del semiconduttore in funzione dell orientazione degli assi di simmetria dei suoi cristalli rispetto alla direzione della sollecitazione meccanica. Tali strumenti sono molto rigidi e fragili e vengono impiegati prevalentemente su superfici piane per rilevare sollecitazioni meccaniche di piccola intensità. 3

In questo caso (si veda l immagine sotto) l elemento R x è sensibile alla deformazione e alla temperatura e quello R t alla sola temperatura; ne consegue che la dipendenza di R x dalla temperatura

Estensimetri elettrici a variazione d induttanza La figura che segue mostra lo schema di funzionamento di un estensimetro a variazione d induttanza montato su una provetta cilindrica di trazione.

4 Estensimetri elettrici a variazione d induttanza La figura che segue mostra lo schema di funzionamento di un estensimetro a variazione d induttanza montato su una provetta cilindrica di trazione. Il captatore, fissato alla provetta P, è costituito da due coltelli, uno dei quali P m è sensibile in quanto agisce, tramite un dispositivo a leva, sul nucleo ferromagnetico N di una bobina B la cui induttanza L x è variabile con l allungamento della provetta mentre l altro coltello P f è fisso all apparecchiatura. Schema dell estensimetro elettrico a variazione di induttanza. La misurazione viene fatta con ponte di Wheatstone alimentato in corrente alternata, il cui azzeramento, letto sullo strumento R, si ottiene agendo sull induttanza campione variabile L c. Il ponte risulta in equilibrio quando sono soddisfatte contemporaneamente le seguenti relazioni: R x R 2 = R c R 1 L x R 2 = L c R 1 4

induttanza L x è variabile con l allungamento della provetta mentre l altro coltello P f è fisso all apparecchiatura. Schema dell estensimetro elettrico a variazione di induttanza.

5 Durante la prova di trazione, per effetto dell allungamento della provetta, la punta mobile del captatore sposta il nucleo rispetto alla bobina mantenuta fissa. Ne consegue una variazione dell induttanza L x che squilibra il ponte, agli estremi del quale è perciò disponibile una tensione proporzionale all allungamento subito dalla provetta. La figura mostra anche l acquisizione della misura su un tamburo registratore, sistema non più in auge. Comunque in questo caso la tensione, modificata dall amplificatore elettronico secondo rapporti variabili a piacere, comanda il servomotore del tamburo registratore e l asta della punta scrivente S, collegata meccanicamente con il dinamometro della macchina, consente la registrazione grafica degli allungamenti. Estensimetri con cristallo piezoelettrico Questo tipo di estensimetro è costituito da due coltelli, separati tra di loro per una distanza pari alla lunghezza L 0, di cui uno mobile e che trasforma, mediante un sistema a leveraggio, l allungamento della provetta in una sollecitazione meccanica che va ad agire su un cristallo piezoelettrico (si veda la figura seguente). Il sistema, mantenuto in posizione da un dispositivo con molle, permette di ottenere in uscita una tensione direttamente proporzionale all allungamento della provetta ed è caratterizzato da una elevatissima sensibilità. Tuttavia le prestazioni massime del sistema si possono apprezzare solo in una condizione di ambiente controllato e risulta particolarmente idoneo per l acquisizione dei dati nel campo elastico. Schema di montaggio di un estensimetro con cristallo piezoelettrico su una provetta. 5

La figura mostra anche l acquisizione della misura su un tamburo registratore, sistema non più in auge.

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