PROVE MECCANICHE DI CREEP

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1 PROVE MECCANICHE DI CREEP una sollecitazione costante viene applicata ad alta temperatura eventualmente fino a produrre la rottura del campione

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3 Il campione viene sottoposto ad allungamento sotto trazione monoassiale a velocità costante, misurando il carico necessario a provocare un dato allungamento PROVA DI TRAZIONE

4 Macchina di prova

5 L obiettivo è quello di studiare il comportamento dei materiali sottoposti ad un carico monoassiale crescente Si ottiene una curva tensione-deformazione o caricoallungamento Parametri significativi Tensione o sforzo Nominale σ: rapporto tra il carico P agente sul campione e l area A 0 della sezione trasversale originaria σ = P/A 0 Dilatazione o deformazione Nominale ε: rapporto tra la variazione l di lunghezza del campione e la lunghezza iniziale l 0 ε = l/l0

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7 Curva tensione-deformazione per rame policristallino Parametri significativi Tensione o carico di snervamento (limite elastico) σe Tensione o carico massimo di trazione σ M Tensione o carico di rottura σ R

8 La tensione σp (limite elastico lineare) suddivide il campo elastico lineare da quello non lineare La tensione σe (limite elastico) suddivide il campo elastico lineare da quello plastico

9 Per valori del carico < σ P siamo nel campo elastico lineare per cui vale: σ = E. ε

10 Superato il carico di snervamento (σ P ) si entra nel campo plastico Il carico inizialmente continua a crescere fino a raggiungere il valore σ M

11 PERIODO PLASTICO CON STRIZIONE Raggiunto σ M nel campione si verifica un restringimento della sezione trasversale (Strizione) che comporta una diminuzione della tensione nominale (o del carico F) fino alla rottura Per materiali in cui la rottura avviene senza Strizione σ M = σ R Per materiali in cui la rottura avviene con Strizione σ M > σ R

12 In generale è possibile suddividere i materiali in due principali categorie: Materiali Fragili Materiali Duttili Un materiale si dice Fragile se, sottoposto ad una prova di trazione monoassiale, si rompe senza essersi deformato plasticamente Se σ e = σ R Un materiale si dice Duttile se, sottoposto ad una prova di trazione monoassiale, si rompe dopo essersi deformato plasticamente Se σ e < σ R

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15 Tensione di snervamento Valore della tensione in corrispondenza della quale, un materiale duttile, comincia a deformarsi in maniera irreversibile A causa della difficoltà di determinare con precisione questo punto si utilizza una convenzione: Si definisce: Tensione al limite di snervamento quella tensione che corrisponde ad una deformazione plastica (ossia la deformazione permanente misurata una volta scaricato il provino) pari allo 0,2%

16 Carico di snervamento

17 Deformazione plastica nei metalli In figura si mostra un possibile modello atomico per lo scorrimento di un blocco di atomi su un altro in un cristallo metallico perfetto I calcoli fatti, basandosi su tale modello, mostrano che la resistenza dei cristalli metallici dovrebbe essere da 1000 a volte maggiore rispetto a quella sperimentalmente osservata Questo modello non è corretto perché, durante la deformazione plastica, non si ha scorrimento contemporaneo di grandi quantità di atomi in quanto: il processo richiederebbe troppa energia

18 Durante la deformazione plastica ha invece luogo un processo a più bassa energia che implica lo scorrimento di un piccolo numero di atomi per volta Ciò è dovuto alla presenza nel cristallo di un elevata densità di dislocazioni Le dislocazioni si formano in grande numero (10 6 cm/cm 3 ) già durante la solidificazione del metallo, ma se ne formano molte altre di più durante la deformazione del cristallo Un cristallo che ha subito un alta deformazione plastica può contenerne fino a cm/cm 3 La presenza di dislocazioni in un cristallo determina una minore resistenza alla deformazione plastica dello stesso in quanto rende possibile uno scorrimento di un basso numero di atomi per effetto di piccoli sforzi

19 Incrudimento La deformazione plastica di un cristallo è favorita dalla presenza delle dislocazioni e consiste nel movimento, per effetto di bassi sforzi di taglio, delle stesse dislocazioni all interno del cristallo Qualunque elemento che funga da oppositore al movimento delle dislocazioni rende più difficile lo scorrimento atomico e quindi aumenta la resistenza alla deformazione plastica del materiale Uno dei possibili elementi oppositori al movimento delle dislocazioni sono le stesse dislocazioni ossia: Quando una dislocazione, durante il suo movimento all interno del cristallo, ne incontra un altra, quest ultima rappresenta un ostacolo al movimento della prima

20 Incrudimento Se si porta a deformazione plastica il campione, lo si scarica e ricarica σs aumenta Ripetendo i cicli di carico e scarico σs continua ad aumentare Durante la deformazione plastica di un materiale cristallino si formano molte altre dislocazione e ciò fa si che la resistenza alla deformazione plastica del materiale aumenta

21 Tensione Reale o Effettiva La Tensione Reale viene definita come il rapporto tra il carico agente sul campione e l area della minima sezione trasversale istantanea che sopporta quel carico:

22 Deformazione Reale o Effettiva

23 PROVA DI COMPRESSIONE I Materiali fragili mostrano spesso bassa resistenza a trazione poiché la tensione di trazione tende a estendere quelle lesioni submicroscopiche, presenti nel materiale, orientate perpendicolarmente all asse del carico Questi stessi materiali presentano invece alta resistenza alla compressione: materiali fragili sono impiegati principalmente a Compressione Poiché la prova di compressione aumenta l area della sezione trasversale del campione, non si verifica mai la Strizione

24 PROVA DI DUREZZA Durezza di un materiale: resistenza che esso oppone alla penetrazione di un altro corpo di durezza maggiore e di definita geometria, al quale è applicato lentamente un determinato carico i direzione perpendicolare alla superficie da esaminare Vantaggi facilità di esecuzione rapidità nell ottenere risultati non distruttiva Metodi principali Brinell Vickers Rockwell

25 Metodo Brinell Secondo la normativa (UNI ) si utilizza una sfera di carburo di Tungsteno o Acciaio avente un diametro pari a 10 mm applicando una pressione pari a P = 2940 N per un tempo compreso fra i 10 e i 15 s

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27 Massima durezza misurabile Durezza del penetratore Con sfera di acciaio temprato max HB = 400 Con sfera in Carburo di Tungsteno max HB = 600 Svantaggi Non si tiene conto del recupero elastico del materiale Il profilo della traccia è impreciso

28 Metodo Vickers Secondo la normativa (UNI ) si utilizza una piramide di diamante con angolo al vertice di 136 ± 1 applicando una pressione pari a P = 294 N per un tempo compreso fra i 10 e i 15 s

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30 Metodo Rockwell Secondo la normativa (UNI 562) per materiali molto duri si usa un cono in diamante con angolo al vertice di 120 applicando una pressione iniziale P 0 = 10 kg ed una ulteriore P 1 = 140 kg; per materiali dolci una sfera in acciaio temprato e levigato con diametro d = 1,5875 mm e pressioni pari a 10 kg (P 0 ) e 90 kg (P 1 )

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32 PROVA DI RESILIENZA O URTO La prova d urto misura l energia necessaria a fratturare una barretta del materiale in esame, intagliato secondo modalità standard, mediante un carico impulsivo Il campione viene disposto tra i due appoggi della macchina e viene colpito (venendone fratturato) da una massa pendolare pesante che, partita da un altezza nota, risale ad una certa quota Dalla conoscenza della massa pendolare e dalla differenza tra le quote iniziale e finale si calcola l energia assorbita nella frattura

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34 Le prove d urto vengono spesso utilizzate per la determinazione della temperatura di transizione dallo stato duttile a quello fragile che si verifica al diminuire di T. Questo perché, gli acciai e la maggior parte degli altri metalli o leghe CCC assorbono più energia nella frattura duttile che in quella fragile

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36 La Temperatura di transizione dipende dalla forma dell intaglio sul campione Per uno stesso materiale la temperatura di transizione è tanto maggiore quanto più acuto è l intaglio

37 Prova di Fatica La Prova di Fatica determina invece le sollecitazioni che un campione di dimensione standard può sopportare in condizioni di sicurezza per un dato numero di cicli Il campione viene caricato in condizioni di pura flessione e viene fatto ruotare. In tal modo in ciascuna rotazione tutti i punti della sua circonferenza passano da uno stato di compressione ad uno di trazione

38 Prova di Fatica Nella Prova di Fatica il provino viene sottoposto a sollecitazioni cicliche (che si ripetono periodicamente nel tempo) fino a produrre la rottura dello stesso Nelle normali condizioni di servizio, le strutture ed i componenti di macchine sono spesso sottoposti all azione di ripetuti carichi variabili In tali condizioni, i componenti si possono rompere pur se soggetti ad uno sforzo molto inferiore a quello che possono sopportare in condizioni di sollecitazione statica ossia per: σ < σr o addirittura σ < σe

39 Il processo di fatica implica l apparizione di una cricca (si innesca di solito in un punto di concentrazione degli sforzi come un intaglio o un angolo acuto ed in genere parte dalla superficie) che si sviluppa progressivamente col ripetersi della sollecitazione La rottura interviene quando la cricca a raggiunto la sua lunghezza critica lc in corrispondenza della quale la sezione resistente è talmente ridotta da non poter più sopportare la sollecitazione applicata Esempi di componenti di macchine in cui le rotture per fatica sono comuni, sono parti in movimento quali alberi, bielle ed ingranaggi: Alcune valutazioni attribuiscono alla fatica circa l 80% delle rotture che si verificano sui macchinari in generale!!

40 Ciascun giro costituisce così un ciclo completo di alternanza delle tensioni, che nelle prove usuali viene ripetuto parecchie migliaia di volte al minuto I campioni sono provati fino a rottura sotto carichi differenti, denotandone per ogni carico il numero di cicli necessari alla frattura

41 In genere σ max = - σ min e compressione cicli simmetrici alternativamente di trazione E possibile anche effettuare prove cicliche con σ max > 0 e σ min < 0 compressione con σ max e σ min > 0 (< 0) cicli non simmetrici di trazione e cicli di trazione o compressione

42 Le tensioni sono poi riportate in diagramma in funzione del logaritmo del numero di cicli necessari alla rottura (curve σ-n) Per l alluminio (e le sue leghe) lo sforzo che provoca la rottura diminuisce all aumentare del numero di cicli Per gli acciaio al carbonio e le leghe ferrose in generale invece, all aumentare del numero di cicli si ha dapprima una diminuzione della resistenza a fatica e poi la curva tende ad un asintoto orizzontale

43 Il valore dello sforzo corrispondente all asintoto viene definito limite di resistenza a fatica del materiale e rappresenta la tensione alla quale il materiale è in grado di resistere infinitamente (>10 8 cicli) Per valori di tensione inferiore al limite di fatica, il materiale sollecitato ciclicamente avrà una durata infinita

44 Fattori che influenzano il limite di resistenza a fatica Concentrazione degli Sforzi: la presenza di fattori che determinano intensificazione degli sforzi come intagli, fori riducono notevolmente la resistenza a fatica Rugosità superficiale: migliore è la finitura superficiale più alta è la resistenza a fatica. Superfici rugose creano punti di intensificazione degli sforzi che facilitano la formazione di cricche da fatica. Condizioni Superficiali: poiché la maggior parte delle rotture a fatica si originano dalla superficie del campione, qualsiasi trattamento che modifichi questa ultima influenzerà il comportamento a fatica. Trattamenti di indurimento superficiale degli acciai (nitrurazione etc.) aumentano la resistenza a fatica mentre trattamenti di addolcimento (decarburazione) peggiorano il comportamento a fatica. Ambiente Corrosivo: determina un peggioramento del comportamento a fatica sia perché facilità l innesco delle cricche in superficie sia perché determina un aumento della velocità di propagazione di queste ultime

45 Creep o Scorrimento Viscoso Nella prova di Creep un campione del materiale in esame viene sottoposto ad uno stato di sollecitazione costante ad alta temperatura eventualmente fino a provocarne la rottura (prova di creep rottura) Conoscere il comportamento a scorrimento viscoso di un materiale è molto importante in quanto, nelle normali condizioni di servizio, un materiale è spesso sollecitato meccanicamente in ambienti la cui Temperatura è molto alta

46 Creep o Scorrimento Viscoso E il fenomeno grazie al quale un materiale, sottoposto ad una sollecitazione costante ad elevata temperatura, superiore alla metà della sua temperatura assoluta di fusione, subisce una progressiva deformazione plastica Per molte apparecchiature che operano ad elevate temperature, il Creep dei materiali è il fattore che limita la massima temperatura alla quale si può operare Sottoponendo un materiale ad una sollecitazione costante ad alta temperatura, rappresentando la variazione della lunghezza del provino in funzione del tempo, si ottengono curve sperimentali chiamate curve di Creep

47 Curva di Creep Inizialmente si ha un allungamento istantaneo del provino εo Successivamente, il provino mostra una fase di Creep Primario in cui la velocità di deformazione decresce col tempo La pendenza della curva dε/dt è definita Velocità di Creep Nella seconda fase, Creep secondario, la velocità di creep è essenzialmente costante (Creep Stazionario) Infine si ha una terza fase, detta Creep terziario, in cui la velocità aumenta rapidamente fino alla rottura

48 A livello microscopico il fenomeno deriva dalla combinazione di due meccanismi contrapposti: 1. Incrudimento 2. Addolcimento L incrudimento è fenomeno che comporta un aumento progressivo della resistenza alla deformazione plastica di un materiale ed è dovuto al moltiplicarsi del numero di dislocazioni L addolcimento è fenomeno dovuto a processi di riassesto, come il salto o lo scorrimento, attivato termicamente, di dislocazioni, e la diffusione di vacanze. Esso favorisce la deformazione plastica del materiale

49 Creep primario la velocità dell incrudimento è maggiore di quella del riassesto e quindi la velocità di creep diminuisce con continuità. Creep secondario: i due fenomeni si bilanciano e la velocità di creep risulta costante Creep terziario: si formano lesioni ai bordi di grano e/o fenomeni di strizione in qualche zona del campione comportando una riduzione dell area resistente. Inoltre si verificano processi di addolcimento a velocità maggiore di quella di incrudimento. Tutti questi fattori producono un continuo aumento della velocità di creep, fino alla frattura del campione

50 Fattori che influenzano il Creep Sforzo applicato Temperatura L aumento della tensione applicata sposta verso l alto tutta la curva (a parità di tempo aumenta l allungamento del provino) e provoca una frattura più veloce L aumento della temperatura, invece, accelerando i processi di riassesto, innalza la velocità di Creep