DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA. Università di Roma Tor Vergata

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1 Università di Roma Tor Vergata PROVE MECCANICHE

2 Le Prove Meccaniche Le prove meccaniche si eseguono allo scopo di misurare le proprietà meccaniche dei materiali, ossia quelle che caratterizzano il comportamento di un materiale sotto l azione di forze esterne. La misura delle proprietà è effettuata mediante prove, condotte nel rispetto di norme precisate dalle unificazioni, che si dividono in base a: METODO DI ESECUZIONE in: Convenzionali Simulate Reali 2

3 Le Prove Meccaniche TEMPO DI APPLICAZIONE DEL CARICO in: Statiche (trazione, compressione, flessione, durezza) Dinamiche (resilienza) Periodiche (fatica) Sotto carico costante (scorrimento, usura) 3

4 Le Prove Meccaniche Durante l esecuzione delle prove, a seguito dell applicazione del carico, nel pezzo si avranno deformazioni (cambiamento della dimensione unitaria del corpo) e sollecitazioni (carico per unità di superficie). Le sollecitazioni statiche, dinamiche, periodiche o costanti si classificano inoltre in base alla direzione del carico rispetto all asse geometrico del campione da testare in: trazione (compressione) flessione torsione taglio 4

5 PROVA di TRAZIONE 5

6 Prova di Trazione La prova di trazione rappresenta il più importante test convenzionale. La prova di trazione è: STATICA DISTRUTTIVA UNIFICATA Fornisce grandezze, che per quanto convenzionali, sono utilizzate: nella progettazione nella valutazione sull applicabilità di processi tecnologici ad un materiale in indagini di carattere scientifico o di failure-analysis SCOPO: Misura delle proprietà di RESISTENZA, DEFORMABILITA ed ELASTICITA del materiale 6

7 Prova di Trazione La prova di trazione è eseguita su provette (con dimensioni e geometria opportuna) attraverso l applicazione di un carico monoassiale crescente (se pur lentamente). I risultati della prova di trazione sono rappresentati da un diagramma caricoallungamento e da una serie di grandezze relative a resistenza, deformabilità, ed elasticità del materiale del provino. La normativa di riferimento per l Europa è la UNI EN

8 Prova di Trazione: Forma dei Forma dei provini Nelle provette di trazione si distinguono: Tratto utile L 0 Tratto calibrato L C ( L 0 +d 0 /2< L C < L 0 +2d 0 ) Le teste opportunamente raccordate al tratto calibrato La sezione che può essere circolare, quadrata, rettangolare. a) Provetta cilindrica a testa semplice b) Provetta cilindrica a testa filettata c) Provetta cilindrica a testa appoggiata d) Provetta rettangolare a testa semplice e) Provetta rettangolare a testa forata 8

9 Prova di Trazione: Forma dei Forma dei provini La geometria delle provette può variare in funzione di: Materiale da testare (duttile o fragile) Processo tecnologico con cui è stato prodotto il materiale (fusione, deformazione, ecc ) Tipologia di componente da cui il provino è stato ricavato (lamiera, tubo, filo ecc..) N.B. In tutti i casi la posizione e la modalità di prelievo del provino rispetto al pezzo da collaudare hanno grande importanza 9

10 Prova di Trazione: Forma dei Forma dei provini Provini per la prova di trazione a sezione circolare e rettangolare; il tratto L è il tratto calibrato, il tratto L 0 è quello di riferimento, del quale si misura l allungamento. 10

11 Prova di Trazione: Forma dei Forma dei provini Affinché tutte le grandezze che si ottengono dalla prova risultino indipendenti dalla geometria della provetta è necessario che il rapporto fra la lunghezza L 0 e la sezione iniziale S 0 rispetti le seguenti relazioni: Provette proporzionali L 0 =k S 0 L 0 =nd 0 Diametro iniziale provette Nelle normative Europee k=5,65 ed n=5 Nelle normative americane k=4,61 ed n=4 11

12 Prova di Trazione: Forma dei Forma dei provini Dopo aver determinato l'area della sezione iniziale e aver marcato la lunghezza iniziale, la provetta è posizionata con opportuni dispositivi nella macchina di prova in modo che il carico sia applicato assialmente. La velocità della macchina deve essere quanto più possibile costante e può variare entro limiti che dipendono dalla natura del materiale. La prova si può eseguire in 2 modi differenti, incrementando il carico oppure la deformazione. La macchina più completa è quella in grado di assicurare la velocità di deformazione programmata scegliendo il carico corrispondente: il carico diventa la variabile dipendente. 12

13 Prova di Trazione: Descrizione Descrizione macchina di trazione In una macchina per la prova di trazione si possono distinguere: Telaio costituito da una traversa mobile ed una fissa; nella zona di mezzeria tra le due traverse sono alloggiate le due teste di afferraggio del provino. Il movimento relativo tra le traverse consente di sollecitare il provino a trazione. I trasduttori di segnale necessari ai fini di misura: Forza applicata (cella di carico) Spostamento della traversa mobile (controllo di moto della traversa mobile) Effettivo allungamento (estensometro) 13

14 Prova di Trazione: Descrizione Descrizione macchina di trazione La traversa mobile è solitamente azionata da un dispositivo idraulico o elettromeccanico (a viti). Macchina Idraulica A Viti Strato di uscita 14

15 Prova di Trazione: Misura delle Misura delle deformazioni Per la misura delle deformazioni residue alla rottura occorre valutare la lunghezza de provino dopo la prova riaccostando le due porzioni rotte del provino. L allungamento percentuale a rottura viene valutato misurando la distanza L u ottenuta tra le due sezioni di riferimento opportunamente evidenziate nel tratto utile (inizialmente a distanza L 0 ) Provino a sezione circolare dopo rottura e riaccostamento delle due metà (acciaio duttile). 15

16 Prova di Trazione: Andamento Andamento di una prova di trazione Durante la prova possiamo registrare il diagramma cartesiano che riporta in ascissa gli allungamenti del provino e sulle ordinate il carico di trazione ad esso applicato: questo diagramma è chiamato Diagramma Carichi-Allungamenti. Per un materiale come l acciaio a basso tenore di carbonio, il diagramma si presenta come quello mostrato. 16

17 Prova di Trazione: Andamento Andamento di una prova di trazione Simulazione di una prova di trazione che evidenzia il comportamento del provino man mano che procede la prova. 17

18 Prova di Trazione: Andamento Andamento di una prova di trazione In generale nella prova di resistenza alla trazione di un materiale metallico si possono distinguere tre periodi: ELASTICO delle GRANDI DEFORMAZIONI della STRIZIONE Periodo elastico Periodo grandi deformazioni Periodo strizione Deformazione elastica Deformazione plastica omogenea Strizione 18

19 Prova di Trazione: Periodo Elastico In campo elastico: Teoricamente: in queste condizioni la parte della curva interessata è un segmento rettilineo, e le deformazioni si annullano se il carico viene riportato a zero. Realmente: la curva si discosta quasi subito dalla tangente all origine, ma se il carico F non supera un certo limite F e carico al limite elastico scaricando il provino la deformazione si annulla Per definire F e si fissa una piccolissima deformazione permanente, e, che si conviene di trascurare e raggiunta la quale si considera raggiunto il limite elastico. Si assume: e = 0.001% della lunghezza di misura Generalmente il periodo elastico può essere suddiviso in: Periodo di elasticità e proporzionalità Periodo di sola elasticità 19

20 Prova di Trazione: Periodo Elastico Periodo di elasticità e proporzionalità: quando il materiale è sottoposto ai primi carichi, l allungamento cresce in proporzione al carico imposto. Al cessare del carico la provetta riacquista le dimensioni iniziali e quindi si può ritenere valida la legge di Hooke. F p carico limite di proporzionalità è limite superiore di tale periodo, oltrepassato il quale la deviazione dalla legge di proporzionalità è superiore alla piccola deformazione e F p < F e 20

21 Prova di Trazione: Periodo Elastico Periodo di sola elasticità : aumentando il carico, il materiale è ancora elastico, cioè le deformazioni permanenti sono trascurabili rispetto a quelle elastiche. Deformazione plastica permanente e, (in percentuale) indotta dal carico applicato dopo che questo viene riportato a 0. Tensione al limite elastico, σ e F e in N/mm 2 e S 0 Se L 0 = 100mm si ha una deformazione assoluta trascurabile e = 1μm 21

22 Prova di Trazione: Periodo Grandi Deformazioni Periodo delle Grandi Deformazioni: oltre il limite elastico il metallo cede deformandosi uniformemente mentre il carico cresce lentamente. Il passaggio tra i due periodi può essere graduale oppure la curva può presentare uno o più punti singolari. Il carico F s, nel caso di punto singolare, è il carico in corrispondenza del quale si passa bruscamente dalle piccole alle grandi deformazioni e prende il nome di carico di snervamento Il periodo delle grandi deformazioni si estende generalmente sino al punto M (punto di massima deformazione uniforme). 22

23 Prova di Trazione: Periodo Grandi Deformazioni Qualora dal diagramma carichi allungamenti non risulti rilevabile il valore del carico di snervamento, si stabilisce convenzionalmente di sostituirlo con quel carico che induce una deformazione permanente dello 0,2%: F s(0,2). Tensione di snervamento, σ s s R s F s S 0 in N/mm 2 Si indica anche con il simbolo R s ed è uno dei dati più pratici e più importanti 23

24 Prova di Trazione: Periodo Strizione Periodo della Strizione: A partire dal punto M ha inizio il fenomeno della strizione in seguito al quale tutta l ulteriore deformazione si concentra in un breve tratto della provetta. F m è definito carico massimo di rottura o resistenza alla trazione. F u è definito carico ultimo. Tensione di rottura a trazione, σ m m R F m S 0 in N/mm 2 24

25 Prova di Trazione: Strizione ELASTICA DEFORMAZIONE PLASTICA UNIFORMEMENTE DISTRIBUITA STRIZIONE LOCALIZZATA STRIZIONE LOCALIZZATA Il diametro in corrispondenza della sezione di massima contrazione si riduce da d p a d u mentre la zona fuori dalla strizione non si deforma ulteriormente 25

26 Prova di Trazione: Forma dei diagrammi Per materiali molto deformabili si hanno tutti e tre i periodi descritti. Si possono distinguere alcuni sottotipi di diagrammi: a. Oltre il punto S si verifica un vero e proprio periodo di snervamento con doppio limite di snervamento, inferiore e superiore (come in certi acciai a basso contenuto di carbonio) b. La curva presenta nettamente un punto singolare S c. Non si distingue il punto singolare, passaggio graduale tra i primi due periodi (es. rame) d. Caso di rottura prematura prima di raggiungere il carico F m (materiali poco deformabili) 26

27 Prova di Trazione: Risultati della prova Tenacità del materiale L area sottesa dalla curva tensione-deformazione rappresenta l energia assorbita dal provino prima della rottura ed è indice della tenacità del materiale. Materiali fragili minore area sottesa dalla curva Materiali duttili maggiore area sottesa dalla curva 27

28 Prova di Trazione: Risultati della prova Modulo di Resilienza Modulo di resilienza: rappresenta l energia elastica che viene immagazzinata dal materiale durante la prova di trazione ed è individuato dall area sottesa dalla parte elastica della curva tensionedeformazione. In un materiale fragile la frattura avviene in campo elastico la resilienza coincide con la tenacità, mentre per un metallo che prima di rompersi subisce una importante deformazione plastica, resilienza e tenacità sono assai diverse. 28

29 Prova di Trazione: Risultati della prova Allungamento percentuale a rottura: A% E definito dalla variazione di lunghezza del tratto utile, dopo rottura, riferito alla lunghezza iniziale e moltiplicato per 100. L u : lunghezza dopo rottura del tratto utile. Questo dato è un indice della duttilità del materiale. Maggiore è l A% maggiore è la sua duttilità. 29

30 Prova di Trazione: Risultati della prova Strizione percentuale Z Coefficiente di strizione percentuale Z: è definito dalla variazione della sezione di rottura S u rispetto alla sezione iniziale S o e moltiplicato per 100. Per provette cilindriche S u = a u b u S 0 = a 0 b 0 30

31 Prova di Trazione: Risultati della prova Modulo di elasticità a trazione E Facendo riferimento alla legge di Hooke il modulo elastico E può essere determinato come rapporto fra il carico unitario di trazione σ entro i limiti di proporzionalità e la deformazione ε corrispondente. o più rigorosamente 31

32 Prova di Trazione: Influenza della Influenza della Temperatura L effetto della Temperatura influenza: Il Modulo Elastico (E) La tensione di Snervamento ( s ) La tensione ultima di trazione ( u ) La tenacità del materiale L effetto della Temperatura sul Modulo Elastico per diversi materiali 32

33 Prova di Trazione: Curva Curva reale Nei diagrammi visti le ascisse e le ordinate sono riferite alla sezione e alla lunghezza iniziali, il carico di rottura risulta, paradossalmente, inferiore ai valori precedenti mentre si verifica che due valori diversi di deformazione richiedono uguale carico. In realtà la deformazione si accumula mentre la lunghezza varia. Se ci riferiamo ad un incremento di deformazione infinitesimo dε, in corrispondenza dell allungamento L+dL, allora si ha: Deformazione reale: 33

34 Prova di Trazione: Curva Curva reale La definizione di deformazione reale è più adeguata a descrivere la deformazione nel campo dei grandi spostamenti. La deformazione ingegneristica può essere utilizzata per valori di deformazione sino al 3-4% senza commettere errori apprezzabili. Deformazione ingegneristica L L L 0 0 Deformazione reale ln( 1 ) Un esempio della inadeguatezza della deformazione ingegneristica nel definire la deformazione nel campo dei grandi spostamenti si ha considerando un cilindro che subisca una deformazione una volta di trazione ed un altra di compressione. Si supponga che in trazione il cilindro raddoppi la sua lunghezza ed in compressione la dimezzi. A meno del segno le due deformazioni di trazione e compressione subite dal cilindro dovrebbero quindi essere uguali. Ciò però è così solo nel caso delle deformazioni reali. T C 2L 0 L 0.5L L 0 0 L 0 0 L % % T C 2L0 ln 0.69 L0 0.5L0 ln 0.69 L 0 34

35 Prova di Trazione: Prova di Trazione: Curva Curva reale reale In campo plastico avanzato, a seguito dell instaurarsi di una marcata strizione della sezione trasversale, anche la definizione data di tensione nominale non è più adeguata a descrivere il reale valore di tensione presente nel provino. Si può definire un valore di tensione reale che vale sin quando il provino permane in stato monoassiale di tensione. S F Tensione reale Il legame tra la tensione reale e quella nominale è immediato nel caso in cui vale l ipotesi di deformazione a volume costante L L S S LS S L L L S F S S S F ΔV=cost 0 0 ln ln S S L L 1 f 35

36 Prova di Trazione: Curva Curva reale II profilo della curva mostra chiaramente che lo sforzo vero aumenta, cioè il metallo più è deformato e più è resistente, mentre lo sforzo ingegneristico rappresentato apparentemente diminuisce perché riferito alla sezione iniziale. La curva può essere approssimata dalla seguente equazione: T = K T n K è il coefficiente di sforzo n l esponente di incrudimento L equazione può essere riscritta come: log T = log K + n log T 36

37 Prova di Trazione: Differenti tipi di curve Perfettamente elastica Elastica, perfettamente plastica Rigida, perfettamente plastica Per valori differenti di n, l esponente di incrudimento, si ottengono alcuni tipi delle curve ideali descritte. Per n=0 si ha un comportamento rigido perfettamente plastico Per 0<n<1 comportamento intermedio Per n=1comportamento perfettamente elastico 37

38 Prova di Trazione: Modalità di Modalità di rottura dei materiali a) Frattura fragile in metalli policristallini b) Rottura di taglio in singoli cristalli duttili c) Rottura duttile coppa-cono in metalli policristallini d) Completa rottura duttile in metalli policristallini, con il 100% di riduzione di area 38

39 Prova di Trazione: Rottura del campione MICROFRATTOGRAFIA MACROFRATTOGRAFIA Ogni tipo di frattura è caratterizzata da una particolare morfologia Frattura duttile legata alla presenza di inclusioni o precipitati. Si ha: deformazione plastica intorno alle inclusioni, formazione di microcavità, loro allungamento nella direzione della sollecitazione e coalescenza delle microcavità. Cause e meccanismi di rottura Tipica frattura coppa- cono a seguito di un test di trazione Sequenza di eventi che porta alla formazione della frattura di forma coppa-cono 39

40 Prova di Trazione: Considerazioni La velocità di applicazione del carico e di deformazione. Influenzano: carico massimo, che tende ad aumentare all aumentare della velocità di deformazione; limite di snervamento che ad alte velocità di deformazione tende ad aumentare ma può addirittura scomparire. La forma del provino. Influenza i valori ottenuti dalla prova solo relativamente alle prove scientifiche. Coassialità afferraggi. Influenza i valori del carico di snervamento superiore ed inferiore. Migliore è la coassialità maggiore è la differenza rilevabile fra F s ed F e. Rigidezza della macchina. Incide sulla misura di F s ed F e. Macchine molto rigide evidenziano meglio la differenza fra i due valori quando questa è presente. Lavorazione dei provini. Influenza soprattutto la duttilità del materiale, che è maggiore se la lavorazione è più accurata. Temperatura. Incide su tutte le grandezze misurate. 40

41 PROVA di COMPRESSIONE 41

42 Prova di Compressione È la prova che misura la capacità del materiale di resistere a sollecitazioni di compressione Consiste nel sottoporre ad una forza di compressione crescente una provetta cilindrica valutandone contemporaneamente le caratteristiche comportamentali Provetta: Consiste in un campione cilindrico di materiale avente: Le basi piane e rettificate Diametro iniziale 10 mm<d 0 <30 mm Altezza iniziale L 0 = 1,5 D 0 42

43 Prova di Compressione: Macchina di prova Gruppi della macchina di prova: Incastellatura con piani di appoggio della provetta Traversa superiore mobile della macchina Superfici lucidate a specchio Materiale di durezza superiore a quello da comprimere 43

44 Prova di Compressione: Risultati della prova Andamento della prova: La traversa superiore comprime la provetta contro il piano inferiore della macchina rilevando il carico L applicazione del carico non deve superare i 30 N/mm² al secondo riferiti a S 0 Alla rottura della provetta la prova viene interrotta e valutati i risultati 44

45 Prova di Compressione: Risultati della prova Carico unitario di rottura a compressione Rc: Rc = Fc/S 0 (N/mm²) È definito dal rapporto tra la forza applicata per portare la provetta a rottura e la sezione iniziale della provetta Carico unitario di compressione per un accorciamento prefissato Rc 50, si manifesta per quei materiali di buona deformabilità che in corrispondenza di un accorciamento prefissato (ad es. 50%) non presentano cricche: Rc 50 = Fc 50 /S 0 (N/mm²) È definito dal rapporto tra il carico applicato per accorciare la provetta del 50% rispetto alla lunghezza iniziale L 0 Carico unitario al limite di deformazione permanente Rc (0,2%): Rc (0,2%) = Fc(0,2%) / S0 È il carico in corrispondenza del quale si evidenzia un accorciamento prefissato permanente della provetta pari allo 0,2% 45

46 PROVA di FLESSIONE 46

47 Prova di Flessione Le prove di flessione descritte dalle normative ISO 178 e ASTM D 790 rappresentano tipici metodi di caratterizzazione di materiali plastici rigidi e semirigidi. Risultati caratteristici di queste prove sono: il modulo elastico a flessione, il carico al 3,5 % di allungamento, e l'allungamento a snervamento e a rottura. Le provette hanno sezione quadrata, rettangolare o circolare con dimensioni trasversali costanti per tutta la lunghezza (UNI 559) Determinazione delle caratteristiche dei materiali limitatamente alle deformazioni elastiche Verifica del carico corrispondente a una determinata freccia Per materiali fragili, che non presentano deformazioni permanenti fino alla rottura, rivela il carico di rottura della provetta 47

48 Prova di Flessione: Modalità di prova La provetta, posta su due rulli liberi, è caricata con un carico posto a metà distanza dagli appoggi (a tre punti) In alternativa si possono utilizzare due carichi uguali e simmetrici (a quattro punti) La freccia f è misurata perpendicolarmente al piano degli appoggi A tre punti A quattro punti 48

49 Prova di Flessione: Carico di flessione Dal modulo a flessione: s Carico di flessione 49

50 PROVA di DUREZZA 50

51 Prova di Durezza La durezza H (hardness) può essere definita come: la resistenza alla deformazione elasto-plastica (concetto fisico); la resistenza alla scalfittura (concetto mineralogico); la resistenza che la superficie di un materiale oppone alla sua penetrazione (concetto tecnologico). La durezza è un indice della deformabilità plastica delle superfici del materiale in esame. La durezza influenza la resistenza all'usura, all' incisione, al taglio e talvolta anche alla corrosione. La prova di durezza misura la resistenza di un materiale metallico ad un penetratore o ad un utensile da taglio. Prove di durezza: si determina la resistenza opposta da un materiale a lasciarsi penetrare da un altro materiale. 51

52 Prova di Durezza Prove statiche Si basano sulla misura dell'impronta lasciata sulla superficie del saggio o provetta da un penetratore adeguatamente caricato. Appartengono a questa classe le misure di durezza: Brinell, Vickers, Rockwell e Knoop. Si distinguono per: tipo di penetratore usato carico applicato, tecnica di rilevamento della dimensione dell'impronta lasciata sul saggio 52

53 Prova di Durezza Prove di rimbalzo In cui un oggetto di massa e dimensioni definite è fatto cadere o proiettato sulla superficie da provare misurandone il rimbalzo. Le superfici più dure sono meno plastiche e fanno rimbalzare maggiormente ogni oggetto che le urti. Appartengono a questa classe le prove di durezza Shore e quelle degli strumenti elettronici portatili (Equotip, Esewey, ecc.) Prove di rigatura (scratch test) In cui l oggetto più duro incide il più tenero. Appartiene a questa classe la prova alla lima ed ogni prova atta a classificare i materiali secondo la scala di Mohs. Prove sclerometriche In cui un utensile (microaratro), generalmente di diamante ed adeguatamente caricato, viene trascinato sulla superficie con velocità costante. La durezza, anche locale, è valutata misurando l' ampiezza del solco. 53

54 Prova di Durezza Prove di smorzamento In cui si misura la diminuzione dell ampiezza dell'oscillazione d'un pendolo attrezzato con un perno duro che sfreghi sulla superficie del pezzo da provare. Il pendolo di Herbert appartiene a questa classe. Prove di taglio Nelle quali si misura la forza necessaria per tagliare un truciolo d'opportune dimensioni dalla superficie del pezzo da provare, tramite un utensile standardizzato. Prove d abrasione Nelle quali la superficie del pezzo da provare striscia, sotto adeguato carico, contro un disco rotante. La misura della durezza è valutata in base all'usura. Prove d'erosione In cui un abrasivo, in particelle di date dimensioni, è proiettato contro la superficie da provare. La variazione di peso darà una valutazione della durezza. 54

55 Prova di Durezza Per identificare la durezza di un materiale è bene ricordare l esistenza della scala di Mohs usata particolarmente in mineralogia: essa è formata da dieci sostanze naturali standard la cui collocazione dipende dalla capacità che hanno di scalfire, consumare o deformare il materiale che occupa una posizione più in basso. Minerale N Caratteristiche diamante 10 materiali duri non rigabili con una punta d acciaio corindone 9 topazio 8 quarzo 7 ortoclasio 6 materiali semiduri rigabili con una punta d acciaio apatite 5 fluorite 4 calcite 3 gesso 2 materiali teneri rigabili con l unghia talco 1 55

56 Prova di Durezza Test: statici convenzionali BRINELL VICKERS ROCKWELL KNOOP durometro singolo valore di durezza (correlabile ad altre proprietà) Test economici, semplici e minimamente invasivi La durezza dipende dal sistema (dispositivo + metodo) con cui si misura Necessità della standardizzazione (norme) scale di durezza. Nella norma è indicato: Metodo con il quale si effettua la prova Verifica e calibrazione della macchina di prova Calibrazione dei materiali di riferimento 56

57 Prova di Durezza La scelta del metodo di prova per la misura della durezza dipende da: Tipo di materiale Caratteristiche del pezzo da esaminare Dalle informazioni che si vogliono ottenere Dalla rapidità e dalla possibilità di automatizzare le prove N.B. Le metodologie di prova che saranno illustrate sono valide solo per i materiali metallici che si prestano ad essere deformati plasticamente. 57

58 Prova di Durezza 58

59 Prova di Durezza: Prova di Durezza: Durezza Durezza Brinell Brinell C D F O B d A f Indentatore: Sfera di acciaio temprato o carburo di tungsteno diametro D ) ( d D D D F S F S P HB P [kgf] S [mm 2 ] F [N] D, d [mm] S = area della calotta sferica dell impronta f = affondamento=oa-ob d D d D OB d D D f d D D D Df S ) ( d D D D P S P HB ) ( d D D D F HB 2 D OA SFERA: Acciaio temprato se HB<350 (HBS) o metallo duro per HB fino a 650 (HBW) N.B.: La costante deriva da 1/g=1/ =0.102 Dimostrazione della relazione: 59

60 Prova di Durezza: Durezza Brinell d/d = cost I risultati della prova dipendono dalla relazione fra il carico F applicato e il diametro D della sfera. La comparabilità dei risultati delle prove dipende dagli angoli di penetrazione β. Se per prove effettuate con F e D diverse questi sono uguali allora le misure sono comparabili. Durometro per l esecuzione della prova Brinell 60

61 Prova di Durezza: Durezza Brinell Scelta del carico Il carico deve essere scelto in modo che 0.25 D < d < 0.5 D Legge di similitudine meccanica F KD K dipende dal materiale 2 [N] D si sceglie in base allo spessore (se possibile è consigliata la sfera da 10 mm) Materiali ferrosi K=30 Leghe di alluminio K=5 Leghe di stagno e piombo K=1 Materiali ferrosi s (mm) D (mm) P (kgf) > <

62 Prova di Durezza: Durezza Brinell Carichi in funzione dei materiali in prova 62

63 Prova di Durezza: Durezza Brinell Designazione La durezza Brinell è indicata con il termine HBS (se sfera di acciaio) o HBW (se carburo di tungsteno) seguito da numeri che rappresentano il diametro del penetratore (in mm), la forza applicata (in kgf) e la durata di applicazione della forza (in s). Esempio 600 HBW 1/30/ Valore della durezza Brinell (kgf/mm2, ma non si indica) HBW Simbolo della durezza Brinell 1/ Diametro della sfera in mm 30 Forza applicata (294.2 N 30 kgf) /20 Tempo di permanenza (20 s) se non indicato si intende s. Esistono tabelle in cui, noto il diametro dell impronta, si legge direttamente il valore della durezza Brinell corrispondente a un certo carico applicato 63

64 Prova di Durezza: Durezza Brinell Parametri di prova 64

65 Prova di Durezza: Durezza Brinell Modalità di prova Il carico P applicato gradualmente deve essere esattamente il valore fissato e la durata di applicazione deve essere stabilita, almeno 10-15s, e mantenuta costante. Superficie liscia e piana Impronte distanziate tra loro e il bordo dist. centro impronta bordo 2.5D dist. centri 2 impronte 4D Spessore del pezzo almeno 8 volte la profondità di penetrazione Nessuna deformazione deve essere visibile sulla facciata opposta dopo la prova 65

66 Prova di Durezza: Durezza Brinell Vantaggi: Idoneo per testare materiali disomogenei (impronta grande). Adatto per effettuare test su grandi semilavorati (forgiati, laminati, ecc.). È necessaria una minima preparazione della superficie prima di effettuare il test. Test semplice, robusto e caratterizzato da un ridotto costo del penetratore. Correlazione tra la durezza Brinell e la resistenza a trazione (UTS [MPa] =0.35 HB) Svantaggi: Restrizione del range di applicazione fino ad un massimo di 650 HBW. Limitazione qualora si debbano testare provini piccoli e con ridotto spessore. Tempo di prova relativamente lungo a causa della misura del diametro dell impronta. Danneggiamento del provino a causa della grande impronta. Dipendenza dei risultati dall operatore. L esecuzione di numerose prove può affaticare l operatore ed incrementare l errore di misura. 66

67 Prova di Durezza: Durezza Vickers Indentatore: piramide in diamante a base quadrata con angolo al vertice di 136 HV P S F S F d S = area della superficie dell impronta d = media delle due diagonali P in genere 30 kgf 2 P [kgf] S [mm 2 ] F [N] d [mm] a d Dimostrazione della relazione: h S ah a h d d sin 68 S d sin 68 HV F F sin d d 2 67

68 Prova di Durezza: Durezza Vickers Modalità di prova Superficie ben levigata, liscia e piana*, libera da ossidazione, finitura ottimale. Carico applicato gradualmente Impronte distanziate tra loro e il bordo dist.centro impronta bordo e dist. centri 2 impronte deve essere almeno 4d Permanenza del carico almeno 10-15s Spessore del pezzo almeno 1.5 volte la diagonale dell impronta Nessuna deformazione deve essere visibile sulla facciata opposta dopo a prova *Se la superficie è curva i valori di durezza devono essere corretti con opportuni fattori 68

69 Prova di Durezza: Durezza Vickers Designazione La durezza Vickers è indicata con il termine HV seguito da numeri che rappresentano la forza applicata (in kgf) e la durata di applicazione della forza (in s). Esempio 350 HV 10/ Valore della durezza Vickers (kgf/mm2, ma non si indica) HV Simbolo della durezza Vickers 10 Forza applicata (98.1 N 10 kgf) /20 Tempo di permanenza (20 s) se non indicato si intende s. Esistono tabelle in cui, note le diagonali dell impronta, si legge direttamente il valore di una durezza Vickers corrispondente a un certo carico applicato 69

70 Prova di Durezza: Durezza Vickers Vantaggi: Non esiste valore della durezza che impedisca l uso della prova Vickers. Possibilità di testare componenti piccoli e sottili. L impronta è molto piccola e può non compromettere la funzionalità e l aspetto estetico del componente testato. Svantaggi: Richiesta una preparazione accurata della superficie da testare. Tempi di prova relativamente lunghi per la necessità di misurare la lunghezza delle diagonali. Elevata suscettibilità del penetratore in diamante al danneggiamento. Se l impronta è piccola, forte dipendenza del risultato della misura dalla preparazione superficiale. Dipendenza dei risultati dall operatore. L esecuzione di numerose prove può affaticare l operatore ed incrementare l errore di misura. 70

71 Prova di Durezza: Durezza Rockwell Indentatore (2 possibilità): - Cono di diamante con angolo di apertura di 120 e raggio di raccordo di 0.2 mm - Sfera di acciaio temprato con durezza non inferiore a 850 HV e diametri 1/16, 1/8, 1/14, 1/2 pollice Carico in 2 tempi: Mantenimento della forza iniziale F 0 per un tempo specifico misura della profondità di assestamento Applicazione di una forza aggiuntiva F 1 Mantenimento della forza totale per un tempo specifico (F t =F 0 +F 1 ) Rimozione della forza aggiuntiva F 1 Mantenimento della forza iniziale F 0 per un tempo specifico misura della profondità di penetrazione 71

72 Prova di Durezza: Durezza Rockwell I parametri della prova cambiano a seconda del penetratore utilizzato e il valore della durezza sarà espresso in funzione della profondità di penetrazione con le seguenti formule: HR N e HRB = 130 e per prove con penetratore sferico HRC = 100 e per prove con penetratore conico N = numero specifico della scala e = aumento residuo della profondità di penetrazione in unità specifica della scala (unità specifica o mm) 72

73 Prova di Durezza: Durezza Rockwell Designazione La durezza Rockwell è indicata con le lettere HR seguite da una lettera che indica la scala (HRB, HRC) Esempio 60 HRC 60 Valore della durezza Rockwell HR Simbolo della durezza Rockwell scala C 73

74 Prova di Durezza: Durezza Rockwell Esistono 2 Tipi di Prova Rockwell NORMALE con F 0 = 10 Kg e F 1 = 50 F 1 = 90 F 1 = 140 SUPERFICIALE con F 0 =3 Kg e F 1 = 12 F 1 = 27 F 1 = 42 Esistono diverse scale per la misura della durezza Rockwell che si usano a seconda del campo di applicazione. Queste scale differiscono nel tipo di penetratore e carico applicato. 74

75 Prova di Durezza: Durezza Rockwell Scale di durezza 75

76 Prova di Durezza: Durezza Rockwell Campi di applicazione delle scale Rockwell 76

77 Prova di Durezza: Durezza Rockwell Modalità di prova Superficie ben levigata, liscia e piana*, libera da ossidazione. Impronte distanziate tra loro e il bordo dist.centro impronta bordo 2.5 diametri d impronta (cmq > 1mm) dist. centri 2 impronte 4 diametri d impronta (cmq > 2mm) Permanenza del carico 1-8 s per il carico iniziale 1-15 s per il carico totale (a seconda della scala) Nessuna deformazione deve essere visibile sulla facciata opposta dopo a prova *Se la superficie è curva con raggio di curvatura inferiore a 25 mm i valori di durezza devono essere corretti con opportuni fattori 77

78 Prova di Durezza: Durezza Rockwell Vantaggi: Durata della prova relativamente breve, in quanto il valore della durezza è direttamente visualizzato dopo il test. Il test può essere automatizzato. Costi relativamente limitati della macchina di prova grazie all assenza di dispostivi di misura ottici. Nessuna influenza dell operatore perché il valore di durezza è visualizzato direttamente sullo strumento. Tempi di addestramento dell operatore ridotti. Svantaggi: Poco indicato per testare materiali induriti superficialmente. Elevata suscettibilità del penetratore in diamante al danneggiamento (conseguenti errori di misura). 78

79 Prova di Durezza: Riepilogo Riepilogo - Regole generali 1. La superficie di prova deve avere un raggio di curvatura almeno uguale a 25 mm, per valori inferiori la durezza diventa funzione del raggio 2. impronte distanziate tra loro e dai bordi 3. carico applicato lentamente ed in direzione perpendicolare ( 2 ) alla superficie 4. lo spessore del pezzo non deve consentire che si risentano effetti dell impronta sulla superficie opposta a quella di prova 5. finitura tale da consentire la formazione di una impronta dai contorni netti e quindi misurabili con precisione Nota: Se il raggio di curvatura è inferiore a 25 mm il valore misurato va corretto con dei fattori riportati in opportune tabelle 79

80 Prova di Durezza: Riepilogo Riepilogo - Regole generali Delle tre prove la più versatile, precisa, non-distruttiva, per le modestissime dimensioni dell' impronta, e valida in un intervallo di durezze praticamente illimitato, è la prova Vickers La prova Brinell e' meno laboriosa, ma può esser talvolta distruttiva per l'eccessiva dimensione delle impronte; e risente meno delle variazioni legate alle eterogeneità microstrutturali La prova Rockwell è la più semplice e rapida, ma anche la meno precisa ed affidabile; può dare valori errati per molteplici motivi: per esempio un cedimento dell' appoggio dovuto ad una qualsiasi causa (superficie ossidata o sporca, supporto cedevole, deformazioni elastiche, slittamenti, ecc.) darà misure in difetto. 80

81 Prova di Microdurezza PROVA DI MICRODUREZZA: simile alla VICKERS ma impiega carichi inferiori P 1 kgf I penetratori sono di due tipi: Piramide a sezione quadrata VICKERS Piramide a base rombica tipo KNOOP, con rapporto tra le diagonali di 1/7 Impronta nella prova Vickers Penetratore Knoop per microdurezza Valgono le relazioni: P HV = dmedio P HK = d con P [kgf] 81

82 Prova di Microdurezza Schema di un durometro Apparecchio di misura per microdurezza 82

83 Prova di Microdurezza La prova di MICRODUREZZA serve in particolare per: Misura su fogli sottili (fino a mm) Fili di piccolo diametro Controllo di processo nei trattamenti superficiali quali: cementazione, nitrurazione, carbonitrurazione Controllo di durezza per rivestimenti superficiali Misura della durezza dei microcomponenti Regole Generali Impronte di microdurezza Vickers Valgono le regole indicate precedentemente In più il pezzo deve presentare una superficie con un grado di rugosità molto basso 83

84 Prova di Indentazione strumentata Il test di indentazione strumentata consiste nel far penetrare un indentatore di geometria nota all interno del componente in esame e nel monitorare contemporaneamente e continuamente la forza e la profondità di penetrazione. Con questo test si ottengono valori della durezza e altre proprietà del materiale, senza la necessità di misurare l impronta. L indentatore può essere: Un penetratore Vickers; Un penetratore piramidale a base triangolare di diamante (Berkovich); Una sfera di metallo duro; Una sfera in diamante. 84

85 Load [N] DIPARTIMENTO di INGEGNERIA INDUSTRIALE TECNOLOGIA MECCANICA Prova FIMEC FIMEC Flat - top Cylinder Indenter for Mechanical Characterization Per i metalli: Y P 3 A P Displacement [mm] 1 mm 2 mm B. Riccardi and R. Montanari: Indentation of metals by a flat-ended cylindrical punch Materials Science and Engineering A Vol. A381 (2004), p

86 Prova FIMEC Temperatura di transizione duttile-fragile B. Riccardi and R. Montanari: Indentation of metals by a flat-ended cylindrical punch Materials Science and Engineering A Vol. A381 (2004), p

87 PROVA di FATICA 87

88 Prova di Fatica: Generalità Le prove di fatica si eseguono allo scopo di fornire informazioni relative al comportamento di un materiale metallico sottoposto a cicli di sollecitazione che si ripetono nel tempo. Le sollecitazioni possono essere di tipo semplice (trazione, compressione, flessione e torsione) oppure possono risultare da una combinazione di sollecitazioni semplici. Le sollecitazioni normali e/o le sollecitazioni tangenziali prodotte nella provetta variano, di regola, seguendo una funzione ciclica nel tempo La prova viene eseguita a diversi stress amplitude (S) e per un numero di cicli (N) che portano a rottura la provetta. 88

89 Prova di Fatica: Curve Curve tipiche della prova sono le S-N curve Stress amplitude (S) è definita come lo stress massimo a cui è sottoposta la provetta. Il massimo stress al quale il materiale può essere soggetto senza rottura a fatica è noto come limite di fatica (endurance limit) 89

90 PROVA di CREEP 90

91 Prova di Creep: Generalità Metodo per determinare il comportamento a creep per rilassamento da stress. Il materiale viene sottoposto a prolungata trazione costante o ad un carico di compressione a temperatura costante. La deformazione è registrata a intervalli di tempo specificati e viene tracciato un diagramma di deformazione vs tempo. (metalli) Nei metalli il meccanismo di creep ad alta temperatura è attribuito allo scorrimento dei bordi di grano Rilassamento da stress (stress relaxation): il provino si deforma di una data quantità e la diminuzione dello stress nel periodo prolungato di esposizione a temperatura costante viene registrato. (termoplastici) Procedure standard di prova da creep sono dettagliate nella norma ASTM E-139, ASTM D-2990 e D-2991 (materie plastiche) e ASTM D-2294 (adesivi). 91

92 Prova di Creep: Curva In una tipica curva di creep si possono distinguere 3 fasi: primo stadio (creep primario): deformazione elasto-plastica, che aumenta con velocità decrescente favorita dalla mobilità delle dislocazioni più favorevoli (creep logaritmico); secondo stadio (creep secondario): equilibrio tra l'incrudimento e la ricristallizzazione: la deformazione prosegue a velocità quasi costante ; terzo stadio (creep terziario): deformazione aumenta rapidamente, arrivando velocemente alla rottura, a causa delle microcricche appuntite e dei microvuoti e dello scorrimento diffusivo dei giunti dei grani. slope= d/dt= velocità di creep 92

93 PROVA di RESILIENZA 93

94 Prova di Resilienza Definizione: è la resistenza di un materiale agli urti Rappresenta l attitudine di un materiale ad assorbire energia nell intervallo elasto-plastico La prova di resilienza consiste nel rompere a flessione per urto con un sol colpo, con mazza a caduta pendolare, una provetta intagliata nella sezione mediana e poggiata su due sostegni. L energia assorbita si misura in J e rappresenta la resistenza agli urti del materiale (resilienza) La prova di resilienza può essere: - Charpy - Izod 94

95 Prova di Resilienza: macchina di prova Nella prova di resilienza il peso di caduta è sotto forma di un pendolo; La massa oscillante e il raggio dell'arco determinano la quantità di energia cinetica generata. La maggior parte delle macchine di prova sono dimensionate per fornire una valutazione di energia di 300 joule. (oggi max 450 joule per acciai) L'energia cinetica massima è raggiunta al punto più basso dell'oscillazione e la provetta è disposta in modo preciso in questo punto. La provetta si fratturerà o sarà severamente deformata. Il pendolo continuerà a viaggiare ad un'altezza massima dall'altro lato dell'oscillazione in cui un indicatore registra l'energia persa (assorbita) nella frattura della provetta. 95

96 Prova di Resilienza: Charpy RESILIENZA = Energia assorbita E = mg (H h) [J] dove: h = R R cosα = R (1 cosα) Provino Pendolo di Charpy UNI EN K= mg [H - R(1-cosα)] Unità SI K [J] In condizioni normali l energia disponibile è di 300±10 J (altrimenti deve essere specificata) La velocità di impatto deve essere m/s Normativa precedente RESILIENZA = Energia/Area resistente K mg H R 1 cosα S 96

97 Prova di Resilienza: la la provetta Charpy Lunghezza 55 mm, sezione quadrata lato 10 mm Intaglio ortogonale agli spigoli, nella mezzeria del provino Provetta Mesnager K (norma UNI ritirata) Provetta con intaglio a U o a buco di chiave KU profondità intaglio 5 mm, raggio del fondo 1 mm sezione utile 0.5 mm 2 Provetta con intaglio a V KV apertura intaglio 45, profondità 2 mm, raccordo sul fondo 0.25 mm, sezione utile 0.8 cm 2 97

98 Prova di Resilienza: esempi KU = 210 J energia disponibile 300 J (condizioni normali, il valore viene omesso) provetta normale con intaglio a U o a buco di chiave energia assorbita 210 J KV 100 = 65 J energia disponibile 100 J (condizioni normali, il valore è specificato) provetta normale con intaglio a V energia assorbita 65 J KV 150/7.5 = 83 J energia disponibile 150 J provetta con intaglio a V di sezione ridotta di larghezza 7.5 mm energia assorbita 83 J Nel caso di prove con provetta di sezione ridotta con intaglio a V devono essere aggiunti indici relativi all energia disponibile e alla larghezza della provetta 98

99 Prova di Resilienza: effetto della Temperatura Normalmente le prove vengono effettuate a T ambiente (23±5 C); per prove a T diverse la provetta deve essere immersa nel mezzo di riscaldamento o raffreddamento per un tempo sufficiente e non devono trascorrere più di 5 s tra il prelevamento dal mezzo e la fine della prova. A basse temperature la resilienza assume valori inferiori a quelli ottenuti a temperature superiori. Esiste un campo di temperature per il quale la resilienza subisce una brusca variazione (campo di transizione duttile-fragile) 99

100 Prova di Resilienza: effetto della Temperatura La prova di resilienza è eseguita su provini a differente temperatura, valutando l energia assorbita nell urto. È possibile quindi determinare una temperatura di transizione duttile-fragile Ttr. Convenzionalmente Ttr è individuata in corrispondenza del valor medio di energia assorbita. In alternativa, poiché la frattura di tipo fragile è caratterizzata da un aspetto cristallino, si può determinare la Ttr come il valore di temperatura in corrispondenza del quale si ha un grado di cristallinità del 50%. L intervallo di transizione dipende da: forma e dimensioni dell intaglio dimensioni del provino velocità dell urto criterio adottato per rilevare la curva di transizione 100

101 Prova di Resilienza: valori di Resilienza Valore della resilienza K (dan m/cm 2 ) per alcuni materiali vecchia normativa- Tabella comparativa fra i valori di resilienza misurati con prove diverse 101

102 Prova di Resilienza: risultati Permette di mettere in evidenza in laboratorio la transizione duttile fragile nel comportamento dei materiali, nello stesso intervallo di temperatura Grandezze ricavabili dalla prova: o Resilienza (KU o KV per indicare il tipo di provino) o Cristallinità (percentuale di superficie di rottura che ha aspetto cristallino) o Contrazione trasversale (che il provino subisce in corrispondenza al fondo intaglio) Regole Generali I risultati che si ottengono dalla prova NON sono grandezze intrinseche del materiale e non sono quindi utilizzabili nella progettazione. I risultati che si ottengono sono fortemente dipendenti dalle modalità di prova, dalla grandezza che si misura ecc. Vi è l impossibilità di misurare le componenti dello stato triassiale di tensione. 102

103 Prova di Resilienza: risultati I risultati della prova possono variare considerevolmente in particolare nell intervallo di transizione a causa di: variazioni locali dell acciaio impossibilità di ottenere intagli perfettamente uguali (sono critiche forma e profondità dell intaglio) variabile posizionamento del provino sulla macchina Vantaggi: Prova semplice Temperatura variabile Confronto il comportamento del materiale soggetto a diversi trattamenti, confronto materiali diversi. Controllo di qualità. 103

104 Prova di Resilienza: prova 104

105 Prova di Resilienza: rottura del provino 105