CAPITOLO 7 Frattura DUTTILE o FRAGILE

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1 CAPITOLO 7 Frattura DUTTILE o FRAGILE La frattura causa la separazione di un solido stressato in due o più parti.

2 Comportamento duttile e fragile

3 Frattura dei Metalli Frattura Duttile La frattura causa la separazione di un solido sollecitato in due o più parti. Frattura duttile : alta deformazione plastica e lenta propagazione della cricca a) Inizio della strizione b) Coalescenza delle cavità ed inizio della rottura c) Propagazione della frattura interna d) Rottura (per coppa e cono)

4 Frattura duttile

5 Frattura Fragile Un materiale fragile è un materiale che si rompe dopo un allungamento percentuale di circa il 5%.

6 Tecnologia Meccanica prof. Luigi Carrino Frattura Duttile e Fragile Frattura duttile Frattura fragile

7 Frattura Fragile Le fratture fragili nei metalli sono dovute a difetti come: pieghe porosità strappi e cricche danni da corrosione infragilimento da idrogeno ( )

8 Frattura Fragile

9 Tenacità La tenacità è una misura della quantità di energia che un materiale è in grado di assorbire prima di giungere a rottura; questa proprietà è di notevole importanza tecnologica in relazione all attitudine di un materiale a resistere a sollecitazioni di urto senza rompersi. In pratica è definita dal lavoro occorrente per rompere con un sol colpo un provino del materiale in esame (prova di resilienza). La tenacità si indica col simbolo La tenacità si indica col simbolo K e si misura in [J].

10 Prova di Resilienza La prova di resilienza è indice della tenacità del materiale; un materiale può essere definito tenace quando possiede una buona resistenza a trazione (σ max ) accoppiata a un buon allungamento (A%) e a una buona resilienza (K). L inverso della tenacità [1/K] dà indicazione sulla fragilità del materiale: quanto più grande è la tenacità, tanto più piccola risulta la fragilità.

11 Un materiale ha modulo di resilienza tanto più elevato quanto più elevato è il carico unitario al limite elastico e quanto più basso è il modulo di Young.

12 Velocità di carico Aumentando la velocità di carico: Aumenta la tensione di snervamento e il carico a rottura Diminuisce l allungamento percentuale a rottura Carico ad impatto: Test molto severo Più fragile Minore tenacità

13 Prova di Resilienza (UNI 4431 / UNI EN 10045) È la prova meccanica che determina la resistenza agli urti dei materiali. È una prova distruttiva in quanto provoca la rottura del provino in esame. Si esegue mediante il pendolo di Charpy.

14 Prova di Resilienza Energia potenziale gravitazionale α

15 Prova di Resilienza

16 Prova di Resilienza Le norme prescrivono che la macchina deve rendere disponibile un energia nominale di 300±10 J, che la velocità di impatto deve risultare compresa nell intervallo m/s. La superficie della provetta dopo la rottura si presenterà poco riflettente e di aspetto fibroso se la rottura è stata di tipo duttile, cioè preceduta da una notevole deformazione plastica. Nel caso di frattura fragile la superficie di rottura si presenterà riflettente in quanto la deformazione plastica è praticamente nulla. I risultati vengono espressi con la seguente simbologia: KU nel caso di provino con intaglio a U KV nel caso di provino con intaglio a V Se le condizioni di prova non sono quelle normali è necessario completare il simbolo con altre indicazioni: energia disponibile della macchina e le dimensioni della provetta.

17 Prova di Resilienza La temperatura normale di prova è 23±5 C. Per prove a temperature differenti, la provetta deve essere immersa nel mezzo di raffreddamento o riscaldamento per un tempo sufficiente a far raggiungere all intera provetta la temperatura prescritta e non devono trascorrere più di 5s tra il prelevamento a temperatura controllata e la fine della prova. I valori di resilienza possono variare sensibilmente, infatti a basse temperature la resilienza assume valori decisamente inferiori a quelli ottenuti a temperatura superiore. Inoltre, si evidenzia un campo di temperature in cui i valori di resilienza subiscono una brusca variazione

18 Prove di impatto Utilizzate anche per trovare l intervallo di temperatura della transizione duttile-fragile (Da J.A.Rinebolt e W.H. Harris, Trans. ASM, 43: 1175(1951))

19 Transizione duttile - fragile

20 Transizione duttile - fragile

21 Influenza del tenore di carbonio

22 Curiosità Affondamento del Titanic: il Titanic era costruito con acciaio con temperatura di transizione duttile-fragile a 32 C. Il giorno dell affondamento, la temperatura del mare era -2 C che rese la struttura molto fragile e suscettibile al danneggiamento.

23 Curiosità

24 Tenacità a Frattura Le cricche e i difetti sono concentrazioni di sforzi K I = Yσ πa K I = fattore di intensità di sforzo σ = sforzo applicato a = lunghezza apice cricca Y = costante geometrica K Ic = valore critico di fattore di intensità degli sforzi (tenacità a frattura) = Yσ f πa Esempio: Con σf = carico a rottura Al 2024 T MPa m 1/2 Acciaio MPa m 1/2

25 Misura di Tenacità a Frattura un intaglio viene realizzato su un provino di spessore B B > > a condizione di deformazione piana B = 2.5(K Ic /sforzo di snervamento) 2 Il provino è testato a trazione Maggiore è il valore di K Ic, maggiore è la duttilità del metallo Usato nella progettazione per ricavare la dimensione permessa del difetto Provino di tipo compact-tension

26 Comportamento a fatica I primi studi intorno alla fatica vennero compiuti alla fine del secolo XIX, in seguito a una serie di rotture "inspiegabili" di assali ferroviari progettati per resistere a carichi (statici) ben superiori a quelli cui invece avveniva la loro rottura improvvisa in esercizio. In questo senso fondamentale è l'opera di August Wöhler, il quale intuì che il fenomeno era dovuto alla natura ciclica del carico cui l'assale era sottoposto e tentò di ricostruire lo stato di sollecitazione in laboratorio, mettendo in relazione l'ampiezza massima del ciclo di sollecitazione con il numero di cicli che il pezzo sopportava prima della rottura: ne ricavò una serie di curve su base statistica che ancora oggi sono chiamate diagrammi di Wohler e costituiscono lo strumento base per la progettazione di componenti meccanici sollecitati a fatica. Da questi diagrammi si evidenzia per alcuni materiali l'esistenza di un limite inferiore di sforzo massimo al di sotto del quale il materiale non si rompe per effetto di fatica nemmeno per un numero "molto alto" (idealmente infinito) di cicli. Questo valore dello sforzo è detto limite di fatica del materiale.

27 Comportamento a fatica Nel caso dei materiali metallici (di gran lunga il più importante e il più studiato) la fatica è legata ai fenomeni di microdeformazioni plastiche cicliche locali indotte dal ciclo di sollecitazioni. Esse sono dovute al fatto che, per effetto di vari tipi di microintagli e/o discontinuità (bordi di grano, inclusioni non metalliche, composti interstiziali, rugosità superficiali), localmente il valore dello sforzo può superare il carico di snervamento anche se il carico macroscopico esterno rimane sempre al di sotto di esso.

28 Fattori metallurgici di influenza Il limite di fatica si lega inevitabilmente con la tensione di rottura Rm e quindi con i fattori che la modificano: composizione: per Rm non troppo elevato, la composizione non influisce particolarmente, mentre con Rm elevato si nota una maggiore resistenza a fatica degli acciai legati; dimensione della grana cristallina: mediamente una struttura fine comporta l'aumento di Rm e quindi del limite di fatica; morfologia: strutture globulari e lamellari (al decrescere della distanza delle lamelle) sono favorite; la struttura migliore è quella della sorbite; l'austenite residua e le inclusioni non metalliche sono fattori negativi; la fibratura comporta una minore resistenza a fatica per un provino ricavato trasversalmente alla direzione di laminazione; incrudimento: nonostante esso provochi l'aumento di Rm, non è consigliabile in quanto collateralmente causa l'aumento della difettosità e quindi delle microcricche.

29 Fattori meccanici di influenza Si considerano come fattori meccanici tutti quelli legati all'esercizio e al dimensionamento del pezzo metallico. La concentrazione di tensioni, dovuta a intagli previsti o a irregolarità superficiali o interne non volute, permette alla cricca di fatica di originarsi con maggiore facilità, direttamente dal secondo stadio. Dato che la cricca inizia spesso sulla superficie del pezzo, l'estensione di quest'ultima è proporzionale alla probabilità d'innesco. È necessario eliminare i solchi lasciati dagli utensili di lavorazione, in quanto in essi si crea una concentrazione di tensioni. Comunque una superficie ben levigata apporta significativi vantaggi solo su pezzi in acciai ad alta resistenza, per i quali è quindi indinspensabile una accurata lavorazione. Si sottolinea poi che è importante pure evitare che una successiva corrosione crei irregolarità superficiali. Si può ridurre l'effetto degli sforzi di trazione creando una compressione superficiale sul pezzo: mediante pallinatura, rullatura o smerigliatura. Bisogna solo porre attenzione a non favorire la formazione di microcricche sotto pelle.

30 Prove a fatica Sono possibili differenti tipi di cicli di sforzo (assiale, torsionale e flessionale)

31 Creep (scorrimento viscoso a caldo) nei Metalli Il creep è la deformazione progressiva a sforzo costante. Importante per applicazioni ad alta temperatura. Creep primario: velocità di creep diminuisce col tempo per incrudimento. Creep secondario : velocità di creep costante per processi simultanei di incrudimento e di recupero. Creep terziario: velocità di creep aumenta con il tempo (a causa della formazione di microvuoti ai bordi grano e al relativo scorrimento di tali bordi) portando a strizione e rottura.

32 Prova di Creep La prova di creep determina l effetto della temperatura e dello sforzo sulla velocità di creep. I metalli sono testati a sforzi costante a differente temperatura e temperatura costante con sforzo differente. Alta temperatura o stress Bassa temperatura o stress Media temperatura o stress Resistenza al creep: Stress per produrre una velocità minima di creep di 10-5 %/h ad una determinata temperatura

33 Prova di Creep a rottura La prova di creep a rottura è come la prova di creep, ma finalizzata alla rottura del provino Diagrammato come log sforzo vs log tempo di rottura Il tempo per la rottura diminuisce con l aumento di sforzo e temperatura (Da H.E. McGannon [ed]. The making, shaping and Treating of Steel, 9 th ed., United States Steel, 1971, p. 1256

34 PROVE TECNOLOGICHE Hanno lo scopo di determinare l attitudine dei materiali a subire determinati processi ai quali saranno sottoposti per realizzare un certo prodotto. Piegamento Colabilità Temprabilità (UNI 3151) Imbutitura (UNI EU 14)

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