Indice moduli. Indice lezioni del modulo A 15/02/2013. Sistemi di Produzione. A: I materiali B: Formatura. C: Deformazione.

Transcript

1 Sistemi di Produzione Dario Antonelli DIGEP Politecnico di Torino Indice moduli A: I materiali B: Formatura C: Deformazione D: Taglio E: Processi non convenzionali Indice lezioni del modulo A Introduzione al corso Tecnologia di produzione I materiali La misura della durezza Le prove meccaniche distruttive Prove non distruttive La meccanica dei materiali 1

2 MODULO A METROLOGIA E MISURA DI DUREZZA Il concetto di misura La misura può essere definita come un entità matematica composta da tre elementi: valore (spesso indicato con V) incertezza (spesso indicata con U) unità di misura (V U) [unità di misura] 5 Definizioni di base Misura: entità matematica composta da valore, incertezza e unità di misura. Misurazione: azione che produce una misura. Misurando: grandezza misurata (es.: lunghezza). Oggetto misurato: oggetto sottoposto a misurazione (es.: tavolo). 6

3 Caratteristica di funzionamento Ingresso (E) Strumento di misura (trasduttore) Uscita (U) U f(e ) 7 Proprietà degli strumenti di misura Sensibilità Accuratezza Ripetibilità Riproducibilità Risoluzione di lettura (e portata) Stabilità Prontezza 8 Proprietà degli strumenti di misura Sensibilità capacità di uno strumento di rilevare anche le minime variazioni della grandezza misurata 9 3

4 La sensibilità assoluta Caratteristica non lineare U f(e ) Sensibilità assoluta S A du de 10 La sensibilità assoluta Caratteristica lineare: U K E U S A K E Quando la caratteristica si avvicina per un certo tratto alla retta si può individuare un campo di linearità del trasduttore 11 Il trasduttore induttivo di spostamento Segnale in uscita [V] 0 0 Spostamento [mm] 1 4

5 Il trasduttore induttivo di spostamento Segnale in uscita [V] campo lineare di misura Spostamento [mm] 13 Proprietà degli strumenti di misura Sensibilità Accuratezza massima differenza tra il valore della misura fornita dallo strumento e il valore nominale (di riferimento) della grandezza misurata 14 Proprietà degli strumenti di misura Sensibilità Accuratezza Ripetibilità margine di variazione del valore ottenuto dallo strumento misurando ripetutamente la stessa grandezza nelle stesse condizioni 15 5

6 Accuratezza e ripetibilità Accuratezza alta bassa Ripetibilità alta bassa 16 Proprietà degli strumenti di misura Sensibilità Accuratezza Ripetibilità Riproducibilità margine di variazione del valore ottenuto dallo strumento misurando ripetutamente la stessa grandezza in condizioni diverse 17 Proprietà degli strumenti di misura Sensibilità Accuratezza Ripetibilità Riproducibilità Risoluzione di lettura (e portata) il più piccolo incremento di misura leggibile sulla scala 18 6

7 Proprietà degli strumenti di misura Sensibilità Accuratezza Ripetibilità Riproducibilità Risoluzione di lettura (e portata) Stabilità capacità di fornire un segnale in uscita costante nel tempo quando la grandezza misurata rimane costante nel tempo 19 Proprietà degli strumenti di misura Sensibilità Accuratezza Ripetibilità Riproducibilità Risoluzione (e portata) Stabilità Prontezza rapidità con cui lo strumento esegue la misura o rileva le variazioni della grandezza 0 Misure dimensionali 7

8 Calibro a corsoio (analogico) Uso del nonio 3 Calibro a corsoio (digitale) 4 8

9 Micrometro (analogico) 5 Uso del nonio 6 Micrometro (digitale) 7 9

10 Macchine di misura a coordinate (CMM) 8 Macchine di misura a coordinate (CMM) 9 Misure di durezza 10

11 Prove di durezza: perché? Possono essere eseguite su pezzi già montati Non distruggono né alterano il pezzo o la parte di questo sottoposto alla prova Si eseguono con rapidità e con mezzi semplici Sono prove facilmente automatizzabili Sono indici di confronto delle proprietà meccaniche dei materiali, dei processi tecnologici e dei trattamenti termici 31 Prove di durezza: perché? Consentono di risalire indirettamente a molte caratteristiche del materiale: resistenza a trazione tenacità incrudimento del materiale effetto di trattamenti termici lavorabilità alle macchine utensili resistenza all abrasione 3 Osservazioni La prova di durezza non consente di esprimere un giudizio esaustivo sullo stato del materiale I valori di durezza misurati dipendono dalle condizioni di prova 33 11

12 Definizione della durezza di un materiale Punto di vista fisico resistenza alla deformazione elasto-plastica del materiale 34 Definizione della durezza di un materiale Punto di vista fisico Punto di vista mineralogico resistenza alla scalfittura (scala Mohs) 35 Definizione della durezza di un materiale Punto di vista fisico Punto di vista mineralogico Punto di vista metallurgico resistenza superficiale che il materiale oppone alla penetrazione di un corpo 36 1

13 Durezza: grandezza strumentale Una grandezza è strumentale se i suoi valori sono espressi come punti di scale convenzionali interpolabili (UNI 4546) L unità di misura è un termine convenzionale (non esiste un campione naturale di durezza) Il rapporto tra due grandezze della stessa specie non ha significato 37 Tipologie di prove di durezza Prove di Macrodurezza l impronta impressa dal penetratore interessa un notevole volume di materiale i carichi applicati sul penetratore sono compresi tra 10 N 50 kn esempi: prove Brinell, Vickers, Rockwell 38 Tipologie di prove di durezza Prove di Macrodurezza Prove di Microdurezza l impronta incide su un piccolissimo volume di materiale i carichi applicati variano tra 0.05 N 10 N esempi: prove Vickers, Knoop, Berkwitch 39 13

14 I durometri Classificazione applicazione del carico (idraulico o meccanico) misurazione del carico (manometro o pendolo) Tipologie di durometri universali (esecuzione secondo diversi metodi) speciali (esecuzione di un solo metodo) automatici o manuali fissi o portatili 40 Misure di durezza La prova Mohs La prova Mohs Introdotta nel 18 Prova basata sulla capacità di un materiale più duro di scalfire uno più fragile La scala di Mohs è usata dai geologi, si può confrontare con la durezza Knoop 4 14

15 La prova Mohs È basata su una scala da 1 a 10 materiale più fragile è il talco (1) materiale più resistente è il diamante (10) Ogni materiale con un grado di durezza superiore può scalfire quelli di durezza minore 43 La prova Brinell La prova di durezza Brinell La prova consiste nel far penetrare nel pezzo una sfera di acciaio di diametro D con una forza F 45 15

16 La prova di durezza Brinell La prova consiste nel far penetrare nel pezzo una sfera di acciaio di diametro D con una forza F Si misura il diametro d dell impronta del penetratore sul pezzo 46 La prova di durezza Brinell La prova consiste nel far penetrare nel pezzo una sfera di acciaio di diametro D con una forza F Si misura il diametro d dell impronta del penetratore sul pezzo Si ricava la durezza Brinell (sigla: HB) come rapporto tra carico applicato e superficie dell impronta 47 La prova di durezza Brinell La prova consiste nel far penetrare nel pezzo una sfera di acciaio di diametro D con una forza F Si misura il diametro d dell impronta del penetratore sul pezzo Si ricava la durezza Brinell (sigla: HB) come rapporto tra carico applicato e superficie dell impronta Fisicamente la misura corrisponde alla pressione di contatto 48 16

17 La prova di durezza Brinell F h d 49 La prova di durezza Brinell F Carico di prova F 50 La prova di durezza Brinell F Diametro del penetratore D (standard: 10 mm) 51 17

18 Modalità di esecuzione della misura Si misurano su ogni impronta due diametri disposti ortogonalmente Per determinare la durezza, si prende la media di queste due letture Lo strumento di misura deve permettere la lettura del diametro delle impronte con una incertezza assoluta non superiore a 0,01 mm 5 La prova di durezza Brinell F Diametro dell impronta della calotta sferica h d 53 La prova di durezza Brinell F Altezza dell impronta della calotta sferica h d 54 18

19 La prova di durezza Brinell Tradizionalmente il carico di prova (P) è espresso in kg f Il passaggio dall espressione del carico di prova in N all espressione in kg f è dato da: 1 1 P F F F g n 55 Misura della durezza Brinell P HB S Rapporto tra forza applicata e superficie della calotta sferica dell impronta [kg f / mm ] 56 Misura della durezza Brinell P HB S D D S D d 57 19

20 0 Misura della durezza Brinell 58 S P HB d D D D S d D D D P HB Misura della durezza Brinell 59 1 d D D D F g HB n S P HB d D D D S d D D D P HB Limitazioni della prova Brinell La prova è valida se è rispettata la condizione: 60 D d D 5 0,, 0

21 Limitazioni nell utilizzo della prova Brinell Se questa condizione non è verificata si procede ad una riduzione della forza applicata sul penetratore secondo la legge: P k D Il campo di applicazione è limitato al fine di evitare la deformazione permanente della sfera 61 Durometro Brinell Impronte lasciate sul provino 6 Analisi di Meyer Il diametro dell impronta nella durezza Brinell non varia in modo lineare con il variare del carico applicato ma: n P a d 63 1

22 Analisi di Meyer Il diametro dell impronta nella durezza Brinell non varia in modo lineare con il variare del carico applicato ma: n P a d Resistenza del materiale alla penetrazione iniziale 64 Analisi di Meyer Il diametro dell impronta nella durezza Brinell non varia in modo lineare con il variare del carico applicato ma: n P a d Misura dell effetto della deformazione sulla durezza del metallo 65 Significato dell analisi di Meyer La resistenza alla penetrazione varia con la profondità di penetrazione della sfera 66

23 Significato dell analisi di Meyer La resistenza alla penetrazione varia con la profondità di penetrazione della sfera La durezza dipende dalla geometria del penetratore 67 Significato dell analisi di Meyer La resistenza alla penetrazione varia con la profondità di penetrazione della sfera La durezza dipende dalla geometria del penetratore Con la definizione adottata per HB, la durezza varia in modo nonlineare al variare del carico 68 Significato dell analisi di Meyer La resistenza alla penetrazione varia con la profondità di penetrazione della sfera La durezza dipende dalla geometria del penetratore Con la definizione adottata per HB, la durezza varia in modo nonlineare al variare del carico Ridefinendo la durezza come rapporto tra carico e il quadrato del diametro dell impronta l influenza della variazione del carico si riduce 69 3

24 Relazione tra durezza e compressione Se la prova avvenisse così: la prova di durezza darebbe un valore uguale alla prova di trazione Siccome il materiale è vincolato ai bordi, la compressione è di tipo triassiale La forza richiesta per ottenere lo snervamento è più alta 70 Prove Vickers, Rockwell e Knoop La prova Vickers Si fa penetrare nel materiale in esame una punta di diamante a forma piramidale a base quadrata sottoponendo il penetratore a un carico prestabilito Il valore della durezza Vickers non varia con il carico 7 4

25 La prova Vickers 73 Il metodo Vickers F 136 d 74 Il metodo Vickers F 136 d Il carico di prova è funzione del materiale e delle dimensioni del pezzo 75 5

26 Misura della durezza Vickers Tradizionalmente il carico di prova (P) è espresso in kg f Il passaggio dall espressione del carico di prova in N all espressione in kg f è dato da: 1 1 P F F F g n 76 Misura della durezza Vickers P HV S 77 Misura della durezza Vickers P HV S 136 P sin HV d 78 6

27 Misura della durezza Vickers P HV S 136 P sin HV d P HV d 79 Caratteristiche della prova Vickers Non presenta limitazioni di utilizzo perché si può variare il carico di prova É una prova adatta a misure di microdurezza a causa dell impronta di piccole dimensioni La forma del penetratore quadrata rende meno incerta la misura dell impronta 80 Il metodo Rockwell Rilevazione diretta tramite strumento di misura delle prove L indicazione della durezza è solo funzione della penetrazione della punta nel materiale A differenza delle altre prove viene definita da una scala convenzionale 81 7

28 Le scale Rockwell Esistono diverse scale Rockwell che si distinguono per alcuni elementi: tratto di scala di durezze coperto dimensioni del penetratore penetratore a cono o a sfera 8 La prova di durezza Rockwell La prova si esegue in due tempi: precarico carico La misura è legata all incremento e della profondità dell impronta 83 La prova di durezza Rockwell 84 8

29 La prova di durezza Rockwell F La prova di durezza Rockwell Tradizionalmente il carico di prova (P) è espresso in kg f Il passaggio dall espressione del carico di prova in N all espressione in kg f è dato da: 1 1 P F F F g n 86 Esecuzione della prova Precarico di 10 kg f e azzeramento del quadrante 87 9

30 Esecuzione della prova Aggiunta di un secondo carico di 140 kg f 88 Esecuzione della prova Sottrazione del carico e lettura sul quadrante della misura in gradi HR e 89 Esempi di misura HRC e HRB e 90 30

31 Durometro Rockwell 91 La prova Knoop Utilizzo di un penetratore con punta in diamante a forma di piramide allungata 9 La prova Knoop Utilizzo di un penetratore con punta in diamante a forma di piramide allungata Il carico varia tra 0.5 N 50 N 93 31

32 La prova Knoop Utilizzo di un penetratore con punta in diamante a forma di piramide allungata Il carico varia tra 0.5 N 50 N La larghezza dell impronta (L) varia tra 0,01 0,10 mm 94 La prova Knoop Utilizzo di un penetratore con punta in diamante a forma di piramide allungata Il carico varia tra 0.5 N 50 N La larghezza dell impronta (L) varia tra 0,01 0,10 mm La prova Knoop è un test di microdurezza 95 Misura della durezza Knoop 14, P HK L Lunghezza dell asse principale dell impronta L 96 3

33 Misura della durezza Knoop Tradizionalmente il carico di prova (P) è espresso in kg f Il passaggio dall espressione del carico di prova in N all espressione in kg f è dato da: 1 1 P F F F g n 97 Utilizzo della prova Knoop Provini piccoli o sottili Materiali fragili Misure di durezza su singoli grani 98 Confronto tra scale Carburo di tantalio Ceramiche di alumina Vetri policristallini Acciai al manganese Titanio Acciai al carbonio Alluminio Magnesio Leghe di piombo Piombo HV o HB Diamante Mohs Corindone Topazio Quarzo Feldspato Apatite Fluorite Calcite Gesso Talco 99 33

34 Scheda riassuntiva delle durezze Test Penetratore Forma dell impronta Carico vista laterale vista dall alto N Brinell sfera d acciaio o CW, 10 mm N 9 41 N Vickers piramide di diamante 9, N Knoop piramide di diamante 45, mn - 49,04 N Rockwell A cono di diamante C cono di diamante D cono di diamante B sfera d acciaio 1,587 5 mm F sfera d acciaio 1,587 5 mm G sfera d acciaio 1,587 5 mm E sfera d acciaio 3,175 mm definizione scala 588,4 N HRA = t N HRC = t 980,7 N HRD = t 980,7 N HRB = t 588,4 N HRF = t N HRG = t 980,7 N HRE = t