Esame di Stato per l abilitazione all insegnamento

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1 Esame di Stato per l abilitazione all insegnamento Indirizzo Tecnologico Ciclo: IX Anno: 2009 Tesi: CARATTERISTICHE DI RESISTENZA DEI MATERIALI METALLICI Relatore: Prof. Francesco Pesavento SVT: prof.ssa Carla Pavan Corsista: Matricola: Classe di abilitazione: Dalla Via Federica R12333 A071 Tecnologia e Disegno Tecnico

2 Sommario 1 Dati relativi all attività: Dati relativi ai soggetti destinatari dell attività Dati relativi alla contestualizzazione curricolare dell attività Obiettivi educativi Obiettivi didattici/disciplinari Prerequisiti Metodi didattici Strumenti Spazi /ambienti di apprendimento Tempi e articolazione dell attività formativa Risorse Premessa e finalità dell attività formativa Contenuti SOLLECITAZIONI Classificazione delle sollecitazioni esterne: Tipi di sollecitazioni statiche: Tipi di cedimento: RESISTENZA A TRAZIONE Prova di trazione statica RESILIENZA Prova di resilienza DUREZZA Prova di durezza Prova di durezza Brinell Prova di durezza Vickers Prova di durezza Rockwell Campi di applicazione dei 3 tipi di prove di durezza e loro confronto Verifiche Criteri di valutazione Recupero...20

3 17 Bibliografia e/o sitografia Allegati Verifica sommativa Griglia di valutazione per la verifica sommativa (compito scritto) Griglia di valutazione per la verifica formativa (relazione di laboratorio)...23

4 1 Dati relativi all attività: L attività che qui viene sviluppata si riferisce ad un modulo didattico: caratteristiche di resistenza dei materiali metallici che è composto dalle unità didattiche: UD1: Sollecitazioni UD2: Resistenza a trazione UD3: Resilienza UD4: Durezza Le lezioni saranno impostate presentando dei problemi, tutti legati alla realtà degli oggetti tecnologici, e fornendo le conoscenze necessarie per risolverli. In questo modo si stimola maggiore interesse negli allievi, favorendo una lettura della realtà che potrà poi sfociare in una ricerca autonoma, volta all interpretazione e alla descrizione tecnica degli oggetti. 2 Dati relativi ai soggetti destinatari dell attività L attività presentata può essere proposta ad allievi di una classe prima di un Istituto Tecnico, situato in un area della provincia veneta ad economia basata sulla piccola e media industria. In questo contesto gli studenti motivati all apprendimento di questo modulo didattico potrebbero essere numerosi, in quanto provenienti per la maggior parte da famiglie di piccoli imprenditori o di operatori nel settore della meccanica e, quindi, già vicini alle problematiche che verranno affrontate a lezione. La classe potrebbe essere circa di venticinque persone. Se ci fossero extracomunitari, si dovrebbe porre maggiore attenzione a loro, per eventuali difficoltà di comprensione della lingua, superabili comunque dando più peso alle attività laboratoriali. 3 Dati relativi alla contestualizzazione curricolare dell attività Il presente percorso didattico è pensato per una classe prima e può essere collocato preferibilmente nel secondo quadrimestre, all interno della programmazione del corso di Tecnologia e Disegno, riportato qui di seguito. Programma classe 1^ ITIS, materia: Tecnologia e disegno Disegno - conoscenze generali e disegno geometrico di base - la rappresentazione di solidi (proiezioni ortogonali) Tecnologia - Metrologia - Materiali e loro proprietà - caratteristiche di resistenza dei materiali metallici: sollecitazioni di tipo statico e dinamico, prove e controlli dei materiali (in particolare: resistenza alla trazione, resistenza all urto, la durezza) e prove di laboratorio (durezza Brinell, Vickers e Rockwell) 4 Obiettivi educativi Educare all organizzazione autonoma delle diverse fasi del lavoro. Educare all importanza del saper documentare e comunicare il lavoro svolto usando un linguaggio idoneo ed efficace.

5 Educare alla socializzazione lavorando in team. Far acquisire capacità di sintesi e di rielaborazione personale di concetti. 5 Obiettivi didattici/disciplinari CONOSCENZE Classificazione delle sollecitazioni Metodi per effettuare le prove sui materiali metallici (trazione, resilienza, durezza) COMPETENZE Saper analizzare le peculiarità di ciascun tipo di sollecitazione (statica, dinamica, concentrata, periodica) Saper descrivere i vari tipi di sollecitazioni statiche (Trazione/compressione, Flessione, Taglio, Torsione) Saper descrivere il procedimento e i macchinari usati nelle varie prove meccaniche (resistenza a trazione, resilienza, durezza), con riferimenti alla teoria delle sollecitazioni CAPACITA Saper effettuare le diverse prove meccaniche in laboratorio Saper redigere la relazione tecnica relativa ad una prova effettuata in laboratorio 6 Prerequisiti CONOSCENZE conoscenza delle unità di misura del S.I. conoscenza degli elementi fondamentali di geometria nel piano e nello spazio; COMPETENZE Saper leggere e interpretare diagrammi e grafici Saper risolvere equazioni di primo grado 7 Metodi didattici All inizio del modulo didattico si può proporre un brainstorming, attraverso il quale indagare sulle conoscenze pregresse di ciascun allievo sui vari tipi di sollecitazioni a cui possono essere posti i materiali metallici. Dalle descrizioni degli allievi emerge il vissuto di ciascuno, e la condivisione è utile per instaurare un ambiente di apprendimento positivo, in cui sia possibile attivare l apprendimento emozionale, oltre a quello razionale. Con una conversazione guidata si può introdurre la classificazione delle sollecitazioni. Ogni unità didattica, poi, potrebbe essere realizzata con lezioni frontali alla lavagna, supportate dalla presentazione in power point di immagini e fotografie che chiariscano quanto detto o scritto in maniera schematica. In questa fase si rende necessario utilizzare il metodo interrogativo- espositivo, per avere un continuo feedback dagli allievi e quindi calibrare il ritmo della lezione sulle loro capacità ricettive. Successivamente si può passare alla fase laboratoriale, applicando la tecnica del problem solving, proponendo dei problemi da risolvere, permettendo agli alunni di avanzare ipotesi di soluzioni, confrontandole e discutendole in gruppo, in modo da allenarli allo sviluppo di progetti anche più ampi. Le attività possono essere assegnate

6 a gruppetti composti da non più di 2-3 allievi, di pari livello, in modo che ciascuno possa contribuire alla realizzazione del compito supportandosi a vicenda. 8 Strumenti Testo scolastico di Tecnologia Meccanica Riviste di settore Siti internet Macchine per le prove di laboratorio Provette per la realizzazione delle prove 9 Spazi /ambienti di apprendimento Aula per le lezioni di teoria Laboratorio tecnologico di istituto 10 Tempi e articolazione dell attività formativa Alla materia Tecnologia e Disegno, nel primo anno, sono dedicate 3 ore settimanali di cui 2 con l insegnante tecnico-pratico. I tempi stimati per la realizzazione del modulo didattico sono: Introduzione UD1: Sollecitazioni UD2: Resistenza a trazione UD3: Resilienza UD4: Durezza Stesura relazione tecnica (verifica formativa) Verifica finale (sommativa) TOTALE ore preventivate 1 h 1 h 2 h 2 h 3 h 2 h 2 h 13 h 11 Risorse Non sono necessarie risorse straordinarie, in quanto il materiale per le prove può rientrare nella voce delle spese del normale materiale di consumo. 12 Premessa e finalità dell attività formativa Gli argomenti trattati sono stati così suddivisi: - Sollecitazioni o Classificazione delle sollecitazioni esterne o Tipi di sollecitazioni statiche o Tipi di cedimento - Resistenza a trazione o Prova di trazione statica - Reslienza o Prova di resilienza

7 - Durezza o Prova di durezza o Prova di durezza Brinell o Prova di durezza Vickers o Prova di durezza Rockwell o Campi di applicazione dei 3 tipi di prove In questa sede verranno presentati i concetti fondamentali teorici; quelli praticiapplicativi verranno sviluppati in laboratorio dall insegnante tecnico pratico.

8 13 Contenuti 13.1 SOLLECITAZIONI Le prove meccaniche hanno lo scopo di accertare le proprietà meccaniche del materiale. Queste si riferiscono alla capacità dei materiali di resistere alle sollecitazioni esterne che tendono a modificarne la forma e le dimensioni. Si definisce sollecitazione l insieme di forze esterne (o carichi) agenti su un corpo Classificazione delle sollecitazioni esterne: TIPO DI SOLLECITAZIONE ESEMPIO DESCRIZIONE PROVE STATICA Sollevamento con ganci e funi Forze applicate con gradualità e continuità nel tempo. Si distinguono in forze di: Trazione/compressione Flessione Taglio Torsione RESISTENZA MECCANICA a trazione, compressione flessione, taglio torsione DINAMICA Forze applicate in tempi brevi RESILIENZA Martelli, incudini che imprimono urti CONCENTRATA Materiali lavorati mediante asportazione di truciolo Sollecitazioni applicate in zone limitate o puntiformi DUREZZA PERIODICA Bielle, alberi a gomito Sollecitazioni a carattere ripetitivo nel tempo RESISTENZA A FATICA E AD USURA

9 Tipi di sollecitazioni statiche: Sollecitazione di trazione: quando due forze di uguale intensità sono dirette lungo l asse geometrico del corpo e tendono ad allungarlo. Sollecitazione di compressione: quando le forze applicate, dirette lungo l asse, tendono ad accorciare il corpo. Sollecitazione di flessione: quando la forza applicata tende a piegare o a flettere il corpo. La direzione della forza è perpendicolare all asse del pezzo e giace nel piano passante per l asse geometrico stesso. Sollecitazione di torsione: quando la forza applicata tende a far ruotare una sezione del pezzo rispetto alla sezione immediatamente adiacente. Le forze giacciono sul piano perpendicolare all asse del pezzo e tendono a torcerlo. Sollecitazione di taglio: forza applicata soltanto su una parte del corpo e che tende, di conseguenza, a scorrere rispetto all altra parte, mantenuta fissa da una forza contraria Tipi di cedimento: A seguito di sollecitazioni di tipo statico, i componenti possono manifestare dei cedimenti. Definizione: Il cedimento (rottura, failure) può essere definito come l evento che pregiudica la capacità del componente in oggetto a svolgere la funzione per la quale è stato realizzato/progettato Il cedimento, che è prodotto dall azione dei carichi agenti sulla struttura (considerati statici per il momento), è legato essenzialmente a due tipi di fenomeno: Definizione Cedimento Esempio DEFORMAZIONE PLASTICA È associata a tensioni di taglio e comporta lo scorrimento del materiale lungo piani di scorrimento naturali. Si ha cedimento quando si raggiunge un limite arbitrario di deformazione plastica (es. 0.2% di deformazione residua) FRATTURA È definita dalla separazione (o frammentazione) di un pezzo in due o più parti associata a tensioni di trazione Il cedimento per frattura è molto più intuitivo e chiaro da definire, quello per distorsione più sfumato.

10 Classificazione del materiale Caratteristiche di questi materiali Foto di un provino DUTTILE Allungamento a rottura > 0.05 Tensione di snervamento identificabile in modo chiaro e netto Tensione di snervamento simile in trazione e compressione FRAGILE Allungamento a rottura < 0.05 Non snervano (la tensione di snervamento non è identificabile in modo chiaro e netto) Tipicamente si classificano in base alla tensione di rottura Osservazione: In generale i materiali soggetti a cedimento per deformazione vengono definiti duttili, mentre quelli soggetti a frattura senza apprezzabile distorsione vengono detti fragili. Il confine non è sempre così ben definito: intagli acuti (concentrazione delle tensioni), carichi da impatto o temperatura (di transizione) possono mutare il comportamento del materiale portandolo da una tipologia all altra RESISTENZA A TRAZIONE La prova più importante di resistenza meccanica è quella di trazione statica, dalla quale si rilevano le proprietà di resistenza, di deformabilità e di elasticità del materiale, cioè tutte le proprietà mediante le quali si classificano, si designano e si scelgono i materiali. La conoscenza della resistenza a trazione di un materiale permette di stabilire, mediante calcoli appropriati, anche i valori relativi agli altri tipi di resistenza meccanica, senza dover ricorrere alle prove specifiche. Le prove specifiche di compressione, taglio, flessione e torsione vengono eseguite solo in casi particolari, nel collaudo di pezzi finiti Prova di trazione statica La prova consiste nel sottoporre una provetta unificata del materiale in esame a un carico di trazione applicato gradatamente e con continuità fino a provocarne la rottura. Le variazioni di allungamento con l aumentare del carico impresso vengono registrate per punti (ottenendo una tabella) o in modo continuo (ottenendo un grafico). Generalmente un materiale sottoposto a trazione crescente manifesta cinque momenti o fasi differenti di allungamento:

11 Elasticità e proporzionalità Sola elasticità (senza proporzionalità) Elasticità e plasticità Snervamento Rottura La prova si effettua sulla macchina universale e dura mediamente da due a cinque minuti. Il comportamento dei materiali alla sollecitazione di trazione statica dipende da: proprietà intrinseche dei componenti strutturali; dimensioni dei cristalli; stato del materiale; temperatura. Dunque a parità di composizione chimica potremmo avere risposte diverse. Questa prova costituisce il mezzo di controllo dei processi tecnologici (stampaggio, fucinatura, saldatura, laminazione, trafilatura, trattamenti termici, ecc.) offrendo al progettista valori di riferimento per il calcolo e il dimensionamento degli organi di macchine. La prova analizza gli effetti e raramente le cause: pertanto potrà essere integrata con altre prove, analisi, ricerche. Esempio: la prova di trazione di un acciaio fucinato può avere rilevato insufficienza di resistenza. Se la prova è di semplice collaudo, la partita si scarta. Se la prova è di contestazione, occorre ricercare le cause con altre prove ed analisi. Nel caso dell esempio l insufficienza della resistenza può essere provocata da errata composizione chimica (sostituzione del materiale), da alterazione strutturale per anormale processo di lavorazione (surriscaldamenti, bruciature, decarburazioni, segregazioni, incolonnamenti, ecc.), da irregolarità o da omissioni di trattamenti termici (temperature e permanenze errate, ambienti non idonei, raffreddamenti non adeguati, cicli non meditati, ecc.). Diagramma della prova di trazione: Durante la prova di trazione, l apparato registratore della macchina traccia un diagramma carichi-allungamenti il cui andamento è caratteristico per ciascun materiale. In figura è rappresentato il diagramma di un acciaio dolce (a basso tenore di carbonio), cioè di un materiale duttile. Da questo diagramma si rilevano i seguenti carichi caratteristici: F lp = carico di scostamento dalla proporzionalità F le = carico di limite elastico F eh = carico di snervamento superiore F el = carico di snervamento inferiore F m = carico massimo F u = carico ultimo

12 Per materiali diversi si ottengono diagrammi diversi: Fase di elasticità e proporzionalità In una prima fase, quando il materiale è sottoposto ai primi carichi, l allungamento cresce proporzionalmente al carico impresso. Al cessare del carico, la provetta riacquista le dimensioni iniziali. In questa fase se si raddoppia o si triplica il carico, anche l allungamento raddoppia o triplica; la fase ha termine con F lp. Se si toglie il carico, non permane alcuna deformazione. In questa fase vale la legge di elasticità di Hooke: ΔL F = i Lo ESo ΔL è l allungamento elastico, L 0 è la lunghezza iniziale tra i riferimenti prima dell applicazione del carico, S 0 è l area della sezione trasversale della parte calibrata della provetta, misurata prima dell inizio della prova, F i è un carico qualsiasi fornito dalla macchina di prova e il cui valore è compreso entro il regime elastico E è il modulo di elasticità normale, il cui valore è un parametro indicativo del comportamento di ciascun materiale in condizioni di sollecitazione normale. Fase di elasticità e plasticità Il materiale sotto carico subisce allungamenti determinati dalla somma di deformazioni elastiche e deformazioni plastiche: gli allungamenti crescono più rapidamente dei carichi e pertanto la legge di Hooke non è più rispettata. Al cessare del carico la provetta subisce un ritorno elastico e conserva una deformazione plastica di piccola entità. In alcune regioni gli atomi del reticolo, anche al cessare della sollecitazione, non ritornano nella posizione primitiva poiché una parte del lavoro assorbito per l allungamento durante questa fase viene immagazzinata sotto forma di energia elastica che ha un carattere reversibile (cioè non si produce calore) e una parte viene dissipata sotto forma di calore causando una deformazione plastica irreversibile. Fase di snervamento Si ha snervamento quando la deformazione della provetta aumenta per la prima volta senza che il carico aumenti, oppure quando il carico diminuisce.

13 In pratica, il carico oscilla tra i valori F eh e F el. Il carico che provoca questo cedimento si chiama carico di snervamento. Questa fase non compare nei materiali fragili come le ghise o gli acciai duri (a elevato tenore di carbonio), i quali giungono a rottura sotto un carico determinato senza passare attraverso la fase di snervamento. Il carico di snervamento caratterizza l inizio della fase plastica, che precede la rottura della provetta. Fase di rottura Dopo lo snervamento, se aumentiamo ancora il carico, la provetta continua a deformarsi plasticamente fino all improvvisa rottura. In questa fase, nella zona di rottura della provetta, la sezione si stringe visibilmente, presenta cioè il cosiddetto fenomeno della strizzone. In generale la rottura non coincide con il carico massimo. Infatti la provetta, prima di rompersi, si allunga anche se il carico diminuisce RESILIENZA (UNI EN ) La resilienza è la proprietà dei materiali di resistere a forze dinamiche (urti o strappi), cioè applicate in tempi brevissimi. La resilienza è l inverso della fragilità; in altri termini, quanto più grande è la resilienza, tanto è minore la fragilità, e viceversa. Il grado di resilienza di un materiale fornisce preziose indicazioni sulle caratteristiche del materiale: Orienta sulla scelta dei materiali destinati a subire urti Condiziona i parametri dei trattamenti termici (temperatura, tempi e velocità di raffreddamento) Precisa lo stato di un materiale sottoposto a lavorazione plastica (ad esempio fragilità in seguito a incrudimento) I materiali con buona resilienza sono tenaci, cioè mostrano buon allungamento sotto trazione e buona resistenza allo sforzo di trazione. In generale gli acciai sono tenaci ed hanno buona resilienza. I materiali con scarsa resilienza, detti fragili, sono di solito più duri e presentano scarso allungamento. Sono fragili quei materiali che non possono assorbire gli urti senza rompersi. Le ghise sono generalmente fragili Prova di resilienza L indice della resilienza dei materiali viene ottenuto con una prova pratica, consistente nel misurare il lavoro L necessario per rompere con un sol colpo una provetta unificata del materiale in esame, di sezione S O. La resilienza k è espressa dal rapporto: k = L unità di misura della resilienza è il J/cm 2. L S O

14 Macchina per la prova di resilienza: La macchina per eseguire la prova di resilienza è nota col nome di pendolo di Charpy. Consiste in una pesante mazza che scende per gravità dall alto, incontra sulla sua traiettoria pendolare una provetta unificata, la rompe e continua la sua corsa oltre la provetta risalendo fino ad una certa quota. La macchina è tarata per dare immediatamente su un quadrante il valore dell energia assorbita dalla provetta. Oltre alla provetta, anche gli appoggi della macchina e la testa della mazza che colpisce la provetta devono possedere forma e dimensioni unificate per garantire alla prova valori attendibili, confrontabili e ripetibili. Indice di resilienza: Il lavoro assorbito dalla provetta nell urto è dato dalla differenza fra l energia posseduta dal pendolo all inizio della sua corsa e l energia che gli rimane per risalire oltre la provetta. L energia disponibile prima della caduta è data dal peso P del pendolo moltiplicato per l altezza di caduta H. L energia posseduta dal pendolo quando risale è data dal peso P moltiplicato per l altezza h di risalita. Quindi il lavoro (L) necessario per rompere la provetta è dato da L = PH Ph Dividendo L per la sezione S o della provetta in corrispondenza dell intaglio, si ottiene l indice di resilienza: L K = S O 13.4 DUREZZA La durezza è la proprietà che hanno i materiali di resistere alla penetrazione di un corpo materiale duro, in ogni caso più duro del materiale in esame. Le prove di durezza sono molto in uso perché presentano diversi vantaggi: - Non richiedono provette, potendosi eseguire direttamente sul pezzo in esame - Non distruggono né alterano l organo sottoposto alla prova - Forniscono indici di confronto per un giudizio sulla qualità dei materiali - Consentono di stabilire il grado di lavorabilità alle macchine utensili di un pezzo - Consentono di valutare, con buona approssimazione, la resistenza a trazione degli acciai I materiali più duri hanno elevata resistenza alla trazione, sono poco plastici e sono pertanto adatti alle lavorazioni con le macchine utensili. I materiali meno duri sono invece più plastici, hanno bassa resistenza a trazione e sono perciò adatti ad essere lavorati per stampaggio a caldo o a freddo. La durezza varia con la temperatura del materiale (al crescere della temperatura, la durezza diminuisce).

15 Prova di durezza Il grado di durezza di un materiale viene misurato comprimendo sulla superficie del materiale in esame un penetratore, con una punta di forma, dimensioni e materiale opportuni. Dalle dimensioni dell impronta sotto un determinato carico, si deduce il grado di durezza del materiale in esame. Gli apparecchi per l esecuzione della prova sono detti durometri. I metodi più comunemente usati sono quelli Brinell, Vickers e Rockwell. Ciascuno di essi usa un penetratore e un valore diverso del carico Prova di durezza Brinell (UNI EN /2/3) Questo metodo viene usato in prevalenza per materiali teneri, quali acciai dolci, ottoni, leghe leggere. La prova di durezza Brinell consiste nel far penetrare nel materiale in esame una sfera di acciaio duro, pressata con un carico prestabilito. La durezza risulta, per un certo carico, inversamente proporzionale alla superficie dell impronta lasciata dalla sfera sul pezzo. Diametro delle sfere: la prova normale richiede l utilizzo di una sfera del diametro di 10 mm. Per prove particolari possono essere usate sfere di diametro inferiore, in ogni caso non minore di 1 mm. Le sfere che vengono più usate hanno diametro di e raramente 1 mm. Durezza delle sfere: solitamente le sfere sono in acciaio temprato con un indice di durezza (espresso in scala Vickers) maggiore o uguale a 850 kg/mm². Se il provino è d acciaio molto duro, maggiore cioè di kg/mm², la sfera può essere costituita da carburi di tungsteno (al fine di evitare l errore dovuto alla deformabilità della sfera); in generale si preferisce, però, passare ad altro tipo di prove di durezza (Rockwell, Vickers). Carico di prova: deve essere proporzionato al diametro della sfera ed alla qualità del materiale da provare, nel miglior caso, si verifica la legge d/d=0,375. Il carico applicato viene gestito tramite l aumento o la diminuzione dei pesi, questi sono collegati ad una leva che ruota su di un cuscinetto a sfere ed è fulcrata appena dopo l asse del penetratore, così da aumentare decisamente la forza che i pesi esercitano per la legge di gravità. Il carico massimo deve essere raggiunto gradualmente e mantenuto per un tempo variabile da 10 a 15 s. Il carico F più usuale è di N (3000 kg). Per materiali più teneri il carico può essere diminuito fino a 490 N, al fine di evitare che la sfera penetri interamente nel materiale, sfondandolo. Lo spessore del pezzo in prova deve essere almeno 8 volte la profondità dell impronta. La prova è valida se il diametro d dell impronta è compreso fra un quarto e la metà del diametro della sfera D: d = D

16 Indice di durezza Brinell HB: è dato dal rapporto fra il valore del carico F (in Newton) e la superficie S dell impronta riscontrabile sul materiale. Il suo simbolo è espresso con la sigla HB: HB = Il simbolo HB designa sempre le condizioni normali di esecuzione della prova (D=10mm e F=3000 kg). In condizioni di prova diverse da quelle sopra indicate, il simbolo HB dev essere completato, nell ordine, dal diametro della sfera in mm, dal carico di prova in N*0,102 (cioè in kg f ) e dalla durata di permanenza del carico in secondi, ad esempio HB 5/750/20. Durometro per prove di durezza Brinell La macchina per eseguire la prova di durezza Brinell è dotata di un dispositivo che consente di regolare con precisione i carichi che agiscono sul penetratore a contatto con il pezzo. La superficie S dell impronta si ricava con la formula: 2 2 S = π D D d 2 Il diametro d si rileva per mezzo di un microscopio dotato di una scala graduata e misurando su ogni impronta due diametri disposti ortogonalmente e facendo la media fra le due letture. F S Prova di durezza Vickers (UNI ) Il metodo consiste nel far penetrare nel materiale in esame una punta di diamante a forma piramidale, a base quadrata, sottoponendo il penetratore ad un carico prestabilito. L angolo al vertice tra 2 facce opposte del penetratore è di 136. Il valore della durezza Vickers non varia sensibilmente con il carico e tale caratteristica rappresenta uno dei pregi di questa prova rispetto alla durezza Brinell. Il carico può variare da 5 a 500 kg (da 49 a 980 N); quello più comune è 294 N. La durata di applicazione è di secondi. Macchine per prova di durezza Vickers: La macchina è dotata di sistema che consente di applicare al penetratore precisi carichi prestabiliti.

17 Le moderne macchine consentono la stampa dei risultati della prova e permettono di ottenere una fotografia della superficie del pezzo che si sta testando. Indice di durezza Vickers: l indice di durezza Vickers è dato dal rapporto fra il carico F e la superficie S dell impronta lasciata sul materiale. Il suo simbolo è HV: F HV = S La superficie dell impronta è ricavabile con la formula: 2 d S = dove d rappresenta la diagonale del quadrato dell impronta rilevabile otticamente sullo schermo della macchina. Talvolta il valore di HV è accompagnato dall indicazione delle condizioni di prova. Ad esempio il simbolo HV 10/15 sta ad indicare che il carico utilizzato per la prova è di 10 kg per una durata di applicazione di 15 s Prova di durezza Rockwell (UNI EN /2/3) Questa prova oggi è la più impiegata, per la sua praticità e immediatezza di lettura. La prova viene eseguita comprimendo la superficie del materiale con un penetratore conico di diamante, sottoposto ad un carico prestabilito. L angolo al vertice del cono è di 120. In base alla profondità di penetrazione del cono nel materiale in esame, si deduce la durezza del materiale stesso. Esecuzione della prova Rockwell La prova si svolge in 3 fasi: Si applica senza urto un carico iniziale di 10 kg (98N) e si azzera il quadrante Si aggiunge al carico iniziale di 10 kg un altro carico di 140 kg (1372 N), progressivamente in 3-6 s Si elimina il secondo carico di 140 kg e si esegue la lettura sul quadrante, con il penetratore sempre sollecitato dal carico iniziale di 10 kg. La durezza è inversamente proporzionale alla profondità raggiunta dal penetratore. Indice di durezza HRC Il quadrante del durometro è tarato per dare direttamente la durezza mediante la formula HRC = e

18 dove e è la profondità espressa in millimetri. Si noti che e rappresenta la differenza tra la profondità dell impronta permanente prodotta dal carico di prova e quella dell impronta prodotta dal carico iniziale a nella figura precedente. La maggiore profondità b raggiunta dal carico complessivo è dovuta alla deformazione elastica, che non deve essere considerata per non falsare gli indici di durezza. La formula si spiega nel modo seguente. Per esprimere i valori della durezza HRC in ordine crescente e con numeri semplici, compresi fra 0 e 100, e poiché in pratica le penetrazioni per i materiali duri più comuni risultano comprese fra 0 e 0,2 mm, questo intervallo viene diviso in 100 parti. In tal modo, la profondità risulta essere espressa in unità di 0,2 μm. Il valore di e diminuisce, pertanto, con l aumentare della durezza dei materiali ma cresce con il valore di HRC: per e=0 si ha HRC=100 per e=0,2 mm si ha HRC=0 Indice di durezza HRB Per i materiali teneri, per i quali con la prova HRC si otterrebbe una durezza quasi nulla, o comunque valori poco attendibili, è prevista una prova analoga alla precedente con un carico totale di 100 kg e con un penetratore sfera d acciaio φ1/16. In questo caso l indice di durezza HRB è espresso dalla formula: HRB = e dove e è la profondità raggiunta dalla sfera d acciaio. La prova di durezza HRB può essere eseguita sullo stesso durometro impiegato per la prova HRC sostituendo al penetratore conico la sfera e aggiungendo al carico iniziale di 10 kg un secondo carico di 90 kg. Nella formula che esprime l HRB, il numero 130 rappresenta la durezza della sfera d acciaio impiegata come penetratore. Si ha infatti HRB =130 quando la profondità di penetrazione è nulla Campi di applicazione dei 3 tipi di prove di durezza e loro confronto Campi di applicazione Ogni prova di durezza trova un suo campo specifico di applicazione: - Per materiali duri (come gli acciai speciali) sono consigliate le prove Vickers o Rockwell, che sfruttano un penetratore di diamante. La prova Brinell ha un penetratore a sfera d acciaio che si potrebbe deformare falsando la prova. - Per materiali teneri, si consiglia la prova vickers oppure la durezza HRB. La prova Rockwell HRC non è adatta perché il penetratore conico si spingerebbe troppo a fondo nel materiale e darebbe sempre una durezza nulla. In laboratorio è consigliabile la prova Vickers, che Ha un campo illimitato di applicazione per materiali di qualsiasi durezza Offre risultati costanti anche variando il carico - Quando il pezzo presenta una superficie non liscia, oppure il materiale non è omogeneo, i valori dati dalla prova Brinell sono più attendibili, perché la zona interessata alla prova è molto ampia.

19 - Quando si deve misurare la durezza di strati sottili induriti (ad esempio, cementati) o di fogli di lamiera sottile, è indicata la prova Vickers, poiché lascia una impronta piccola. La prova Brinell non è consigliabile, perché la sfera provocherebbe lo sfondamento dello strato o la imbutitura della lamiera. Inoltre: - Le prove Rockwell e Vickers richiedono la preparazione della superficie in prova mediante levigazione. - La prova Brinell, invece, può essere eseguita senza alcuna preparazione della superficie in prova. - Se si deve testare la durezza di una serie di pezzi con superficie già lavorata, la prova più adatta è quella Rockwell, grazie alla sua brevità di esecuzione. Confronto tra le scale di durezza Nella tabella seguente sono messe a confronto diverse scale di durezza, tra cui quelle trattate in questa unità didattica. Si può ricavare la resistenza dalla Rm = n HB essendo n un coefficiente il cui valore è n = e HB l indice di durezza Brinell. La corrispondenza tra i valori delle scale è soltanto indicativa perché, come si è detto, molte sono le variabili da cui dipendono i risultati delle prove.

20 14 Verifiche La valutazione dell apprendimento può essere fatta in due momenti diversi: - durante il percorso di apprendimento si può valutare la relazione tecnica redatta da ciascuno dei piccoli gruppetti di allievi su una delle prove effettuate in laboratorio; questa può essere considerata una verifica formativa, in cui è possibile consultare il libro di testo e gli appunti, ed eventualmente chiedere chiarimenti al docente, oltre che ai propri compagni; - alla fine del modulo si può somministrare un compito in classe, composto da domande miste, a risposta multipla e aperte, considerandolo come verifica sommativa, in cui l allievo non riceve aiuti e deve dimostrare di aver raggiunto gli obiettivi minimi individualmente, per raggiungere la sufficienza. 15 Criteri di valutazione Nella verifica formativa (relazione tecnica) si terrà conto di: - stesura del disegno e rispetto della normativa sui simboli grafici - percentuale di esecuzione della prova - archiviazione del lavoro e della stampa prodotta - analisi del problema proposto e relazione tecnica - Presentazione del lavoro - Analisi critica del procedimento seguito e dei risultati ottenuti - partecipazione, impegno, disponibilità ad apprendere, nonché progressi ottenuti, conoscenze, competenze e capacità acquisite In allegato è riportata la griglia di valutazione. In particolare nella verifica sommativa saranno valutati gli obiettivi raggiunti in merito alle conoscenze, competenze e capacità acquisite dagli allievi, esplicitati negli obiettivi disciplinari sopra esposti. Si utilizzano i voti da 1 a 10, assegnando la sufficienza al conseguimento degli obiettivi minimi (conoscenza dei concetti fondamentali della materia e capacità d applicazione delle tematiche apprese). Della valutazione sarà fatto partecipe anche lo studente che sarà comunque invitato a fare un autovalutazione in modo da fornire agli allievi una coscienza degli aspetti che devono migliorare, e assegnare le giuste cause a meriti od insuccessi. 16 Recupero Il recupero sarà fatto in itinere mediante spiegazioni e chiarimenti a livello individuale e di gruppo, qualora l allievo manifesti difficoltà o carenze durante il percorso di apprendimento. Per gli allievi che abbiano dimostrato di non aver raggiunto il livello minimo nella verifica, si potrà attuare un intervento di recupero specifico, in orario curricolare, durante le ore gestite in compresenza con l insegnante tecnico pratico. 17 Bibliografia e/o sitografia La progettazione tecnologica, autori F. Andreani e S. Landorno, ed. La Scuola

21 AA.VV., Tecnologia Meccanica e Laboratorio Tecnologico, Editrice La Scuola. L. Caligaris S. Fava C. Tomasello, TeknoMec, Hoepli G. Natali N. Aguzzi, Tecnologia Meccanica, Calderini Secciani G. Villani S. Oliva, Complementi di Tecnologia Meccanica Cappelli Editore M. Pasquinelli, Tecnologia delle lavorazioni meccaniche, Editrice La Scuola Propriet%C3%A0%20e%20prove%20materiali%201.pdf 18 Allegati Verifica sommativa A. Abbina, inserendo una X nell apposito campo, le seguenti prove alla categoria distruttiva o non distruttiva Tipo di prova Non distruttiva Distruttiva Trazione statica Resilienza Durezza Vickers Durezza Brinell Durezza Rockwell B. La sigla 115 HV definisce: Il valore di Durezza Vickers Il valore di Durezza Brinell C. La sigla 80 HRB definisce: Il valore di Durezza Vickers Il valore di Durezza Brinell Il valore di Durezza Rockwell B Il valore di Durezza Rockwell C Il valore di Durezza Rockwell B Il valore di Durezza Rockwell C D. Il pendolo di Charpy consente di eseguire la prova di: Durezza Resilienza Trazione Flessione E. Il grafico riprodotto è relativo ad una prova di: Resilienza Trazione Compressione Flessione F. Lo stelo del lampadario è soggetto ad una forza di: Trazione Compressione

22 Torsione Flessione G. La mensola di una libreria è soggetta ad una forza di: Torsione Compressione Trazione Flessione H. Le gambe di una sedia sono soggette ad una forza di: Taglio Trazione Compressione Torsione I. Il gambo del bullone è soggetto ad una forza di: Trazione Compressione Flessione Taglio J. Per che motivo è importante la prova di trazione statica? K. Descrivi sinteticamente le fasi dei materiali, che vengono evidenziate con la prova di trazione statica. L. Che cos è la resilienza? M. Che tipi di prove di durezza conosci? Descrivi brevemente le loro peculiarità Griglia di valutazione per la verifica sommativa (compito scritto) A ciascuna risposta sarà assegnato un punteggio, contenuto nei range indicati nella tabella seguente. Il punteggio totalizzato (min 0, max 36) verrà riportato in una scala da 1 a 10 (4 punti corrispondono ad un incremento di voto in decimi), per l assegnazione del voto finale. Domanda Punteggio max Domanda Punteggio max A 5 H 1 B 1 I 1 C 1 J 3 D 1 K 8 E 1 L 3 F 1 M 9 G 1

23 Griglia di valutazione per la verifica formativa (relazione di laboratorio) Descrittori \ indicatori Stesura del disegno e rispetto della normativa sui simboli grafici Percentuale di esecuzione della prova Archiviazione del lavoro e stampa prodotta Analisi del problema proposto e relazione tecnica presentazione Analisi critica del procedimento seguito e dei risultati ottenuti Tot.parz. Non effettua scelte opportune e non conosce l applicativo Esegue con scelte incongruenti e conosce solo in parte l applicativo Effettua scelte dimostrando di conoscere l applicativo 25% 50% 75% 100% Non archivia e non stampa Non analizza il problema e non fa la relazione Non presenta il lavoro Non produce niente Archivia e non stampa Analizza in parte il problema e fa una relazione elementare Presente male il lavoro Fa una analisi semplice Archivia e stampa male Risolve il problema con una relazione semplice Presenta bene il lavoro Esegue una corretta analisi Gestisce bene il disegno dimostrando di saperlo modificare Archivia e stampa correttamente Risolve il problema e formula soluzione particolarment e semplice e relazione esauriente Presenta il lavoro con riflessioni personali Esegue una corretta analisi evidenziando eventuali errori commessi e/o soluzioni diverse del problema Il voto è la media aritmetica dei descrittori Inoltre si cercherà sempre di tenere in considerazione partecipazione, impegno, disponibilità ad apprendere, nonché progressi ottenuti, conoscenze, competenze e capacità acquisite.