LAVORO ESTIVO DI TECNOLOGIA TECNOLOGIA MECCANICA & LABORATORIO PROPRIETA DEI MATERIALI, PROVE MECCANICHE E COSTITUZIONE DELLA MATERIA

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1 Pagina 1 di 8 Docente: Materia insegnamento: TESSARIN ANDREA, VALLE EUGENIO TECNOLOGIA Dipartimento: MECCANICA Classe: IV Sezione: M/B Anno scolastico: [I] PROPRIETA DEI MATERIALI, PROVE MECCANICHE E COSTITUZIONE DELLA MATERIA 1) Una prova di resilienza ha dato come risultato KU = 100 J/cm 2. Sapendo che la mazza del pendolo di Charpy cade da un altezza di 2 m e ha una massa pari a 15 kg, si determinino: l altezza residua raggiunta dalla mazza stessa dopo l urto con la provetta; le velocità della mazza prima e dopo l urto. Si spieghi, inoltre, cosa s intende per temperatura di transizione fragile duttile, per quali materiali si verifica e per quali no. 2) Si calcoli il diametro medio dell impronta lasciata sulla superficie di una provetta, in seguito all esecuzione di una prova Brinell standard (F = kgf e D = 10 mm), per la quale risulta HB = 300. Si esegua, inoltre, uno schema della prova e si dimostri l espressione per il calcolo dell affondamento. 3) Durante la fase elastica di una prova di trazione, si registrano i seguenti valori: carico applicato F = N; allungamento corrente l = 0,1 mm; modulo di elasticità longitudinale E = N/mm 2. Sapendo che la provetta è lunga (l 0 = 10 d 0 ) e ha sezione rettangolare a x b, con a = b/2, si calcolino le dimensioni della provetta stessa. 4) In una prova di resilienza, si registrano i seguenti valori: velocità d impatto della mazza contro la provetta v 1 = 7 m/s; velocità della mazza nell istante successivo all urto v 2 = 6 m/s. Sapendo che il lavoro di rottura è pari a 120 J, si calcolino: la massa della mazza; il valore della resilienza KCU. Si illustri, inoltre, il principio di conservazione dell energia in forma meccanica. 5) Una prova Vickers standard (F = 30 kgf) ha dato come risultato: HV = 400. Si calcolino: la diagonale media del quadrato di base dell impronta; l affondamento del penetratore; lo spessore minimo che deve avere la provetta affinché la prova possa ritenersi valida. Si dimostri, inoltre, l espressione di seguito riportata: F HV = 0, d

2 Pagina 2 di 8 6) Una prova di resilienza ha dato come risultato KCU = 600 kj/m 2. Sapendo che la mazza del pendolo di Charpy ha massa pari a 15 kg e che la velocità d impatto con la provetta è di 22 km/h, si determinino: l altezza residua raggiunta dalla mazza stessa dopo l urto con la provetta; le velocità della mazza dopo l urto. 7) Una prova Vickers standard ha dato come risultato: HV = 400. Si calcoli lo spessore minimo che deve avere la provetta affinché la prova possa ritenersi valida. 8) Un tubo d acciaio, avente lunghezza iniziale pari a 2 m e diametro esterno d e = 2,5 cm è sollecitato a trazione da un carico Q, come rappresentato nello schema di figura I.1. In seguito all applicazione di tale carico, il cavo si allunga elasticamente fino a raggiungere una lunghezza pari a 2,001 m. Si calcoli l entità del carico, sapendo che il diametro interno del tubo è la metà di quello esterno. Figura I.1 9) Un tubo d acciaio, avente lunghezza iniziale pari a 2 m (riferimento alla figura I.1) è sollecitato a trazione da un carico Q di N. In seguito all applicazione di tale carico, il tubo si allunga di 2 mm. Si calcolino le dimensioni del tubo stesso, sapendo che il diametro interno è il 90% di quello esterno. 10) Una prova Brinell ha dato come risultato HB = 150. Si calcoli il diametro dell impronta, sapendo che il carico applicato è pari a 1500 kgf e il diametro del corpo campione è di 10 mm. 11) L impronta di una prova di durezza Brinell rilevata al proiettore dei profili presenta i seguenti due valori del diametro: d 1 = 3,157 mm; d 2 = 3,168 mm. Sapendo che la prova è standard, si calcoli il valore di HB, lo spessore minimo che deve avere il pezzo e si verifichi la validità della prova. 12) Una prova di durezza Rockwell C ha dato il seguente risultato: 30 HRC =. Si calcoli lo spessore minimo che il pezzo esaminato deve avere affinché la prova possa ritenersi valida.

3 Pagina 3 di 8 13) Un cavo d acciaio è sollecitato a trazione da una tensione σ = 21 N/mm 2. Sapendo che la lunghezza iniziale di tale cavo è pari a 1 m, qual è l allungamento elastico cui è soggetto? 14) Sapendo che la mazza (massa pari a 15 kg) di un pendolo di Charpy cade da un altezza pari a 2 m e, dopo l urto con la provetta, raggiunge un altezza residua pari a 90 cm, quanto vale la resilienza KV. 15) Le dimensioni di una provetta a sezione rettangolare sono le seguenti: a = 8 mm e b = 12 mm. Sapendo che la tensione è pari a 50 N/mm 2, si calcoli la forza applicata. 16) La durezza HB di un materiale è pari a 200. Sapendo che è stata effettuata una prova standard, si calcoli l affondamento del penetratore. 17) Una prova di durezza Rockwell B ha dato il seguente risultato: HRB=72. Si calcoli lo spessore minimo che il pezzo esaminato deve avere affinché la prova possa ritenersi valida. 18) Un corpo d acciaio subisce un aumento di volume a causa di una variazione di temperatura (T 1 = -50 C e T 2 = 200 C). Se il volume finale dell oggetto in questione è pari a 2 m 3, qual è stata la variazione di volume in dm 3? Si tenga presente che il coefficiente di dilatazione termica lineare dell acciaio è pari a 10-6 C ) Una sfera di legno ha il raggio di 30 cm. Sapendo che la massa volumica del legno è pari a 0,8 kg/dm 3, si calcolino la massa e il peso della sfera. 20) Si schematizzi la curva di raffreddamento del ferro puro, spiegando cosa succede quando si ha il passaggio dallo stato liquido allo stato solido. Cos è il calore latente di fusione? 21) Si descrivano le diverse forme allotropiche del ferro, indicandone le proprietà. Si spieghi cosa succede al reticolo cristallino alle varie temperature di trasformazione. 22) Si elenchino e si descrivano le proprietà meccaniche dei materiali. 23) Si elenchino e si descrivano le proprietà tecnologiche dei materiali. 24) Un volume di materiale presenta una massa volumica nota, alla temperatura di 20 C (ρ 20 C ). Tale volume di materiale considerato viene portato alla temperatura di 100 C: quale sarà la sua nuova massa volumica ((ρ 100 C ).)? 25) Quanti sono gli atomi che competono al reticolo c.c.c.? E al reticolo c.f.c.? Si spieghi come viene effettuato il conteggio aiutandosi con uno schema. 26) Che cos è una vacanza? E una dislocazione? Cosa s intende per soluzione solida interstiziale? 27) Si elenchino e si descrivano le proprietà fisiche dei materiali.

4 Pagina 4 di 8 [II] DIAGRAMMI DI EQUILIBRIO, LEGHE SIDERURGICHE E TRATTA- MENTI TERMICI 1) Sia dato il diagramma di stato di figura II.1 relativo a due elementi completamente solubili sia allo stato liquido che allo stato solido e si consideri la lega costituita dal 68% dell elemento A e dal 32% dell elemento B. Si stabiliscano: le composizioni delle fasi liquida e solida alla temperatura di 640 C; le masse solida e liquida alla stessa temperatura, supponendo che la massa complessiva della lega sia pari a 4 kg; la varianza alla temperatura T. Figura II.1 2) Un metallo puro che si trova alla temperatura di solidificazione è un sistema invariante. Si spieghi perché. 3) Si rappresenti il diagramma Fe Fe 3 C completo in tutte le sue parti e si consideri la lega contenente una percentuale di carbonio pari allo 0,35%. Il candidato, in base alle conoscenze acquisite durante il percorso formativo, esegua: a) la rappresentazione della curva di raffreddamento, spiegando cosa avviene alle varie temperature di inizio e fine trasformazione e quali sono le fasi presenti; b) il calcolo della varianza per ogni intervallo di trasformazione; c) il diagramma strutturale della lega considerata; d) il calcolo di massima del carico di rottura, dell allungamento a rottura e della durezza Brinell dell acciaio dato; e) la rappresentazione schematica del reticolo cristallino della lega a temperatura ambiente. Costituenti e aggregati strutturali σ r [N/mm 2 ] A% HB Ferrite α Perlite Cementite

5 Pagina 5 di 8 4) Si rappresenti il diagramma di equilibrio completo in tutte le sue parti relativo a due materiali completamente solubili sia allo stato liquido che solido con lacune di solubilità allo stato solido e si rappresenti la curva di raffreddamento di una lega che presenta le fasi α e β a temperatura ambiente. 5) Si rappresenti il diagramma temperatura velocità di raffreddamento per un acciaio ipoeutettoide, spiegando come si ottiene e quali trattamenti termici si eseguono quando v r < v c.i. e v r > v c.s.. 6) Si descriva il processo di tempra isoterma, spiegando come avviene il raffreddamento, quali mezzi raffreddanti si utilizzano e quali strutture si ottengono al termine del trattamento. 7) Si descriva il trattamento di cementazione, specificando i tipi di acciaio più idonei al trattamento, i tipi di cementi utilizzati e rappresentando la curva ad U della durezza che si ottiene dopo il trattamento (si specifichi quale) successivo alla cementazione. 8) Si spieghi il fenomeno dell infragilità da rinvenimento. 9) Si descrivano i processi di tempra superficiale e tempra localizzata. 10) Si elenchino i mezzi raffreddanti conosciuti e se ne descrivano pregi e difetti di ciascuno di essi. 11) Si descriva il processo di nitrurazione e lo si metta a confronto con quello di cementazione. 12) E dato il ciclo termico rappresentato in figura II.2: si determinino le velocità di riscaldamento e di raffreddamento. Figura II.2 13) Si descrivano le sigle dei materiali di seguito riportati: o 38 Ni Cr Mo 4 ; o C115 KU; o GS ; o 40 Ni Cr Mo 12 04;

6 Pagina 6 di 8 o X 30 Ni Cr V 20 15; o Fe 40; o Fe E ) Scrivere la sigla UNI del materiale avente la seguente composizione chimica: % di carbonio = 0,15% % di cromo = 18 % % di nichel = 10 % % di molibdeno = tracce Che tipo di materiale è? 15) Dopo aver elencato e descritto i parametri che caratterizzano un ciclo termico, si motivi la necessità di eseguire un trattamento termico su un materiale. 16) Si definisca il processo di ricottura e se ne elenchino i tipi descrivendoli. 17) In riferimento agli effetti strutturali e chimici, come vengono classificati i trattamenti termici? 18) Aiutandosi con degli schemi, si spieghi la differenza tra ciclo termico semplice, complesso e composto. [III] TAGLIO DEI METALLI, UTENSILI E MACCHINE UTENSILI 1) In figura III.1, è rappresentata la fase di formazione del truciolo nel taglio dei metalli. Sia s s la direzione di scorrimento e sia R la risultante delle forze esercitate dall utensile sul pezzo da tagliare. Si calcolino: Figura III.1 la potenza di taglio, nell ipotesi di dover tagliare un albero del diametro di 50 mm al regime di 500 giri/min.; la potenza persa per attrito; la potenza necessaria allo scorrimento del truciolo. Si tracci, inoltre, in opportuna scala, il cerchio di Marchant. 2) Si deve tagliare alla macchina utensile un albero in acciaio avente diametro pari a 30 mm, utilizzando un numero di giri pari a 500 giri/min. e una potenza pari a 5 kw. Quale sforzo

7 Pagina 7 di 8 tagliante deve sopportare l utensile? 3) Aiutandosi con uno schema, si spieghi come la sezione del truciolo influenza la velocità di taglio e perché, a parità della medesima sezione e della durata dell utensile, conviene lavorare con una profondità di passata minore. 4) Si esegua l analisi dimensionale e si specifichi la natura dei termini dell espressione di seguito riportata: P = v a p. V t 5) In figura III.2, è rappresentata la fase di formazione del truciolo nel taglio dei metalli. Sia s s la direzione di scorrimento e sia R, risultante delle forze esercitate dall utensile sul pezzo da tagliare, pari a 4000 N. Si calcolino: la potenza di taglio, nell ipotesi di dover tagliare una lunghezza di 1500 mm in un tempo pari a 2 s; la potenza di attrito; la potenza di scorrimento. Si tracci, inoltre, in opportuna scala, il cerchio di Marchant. Figura III.2 6) Si deve effettuare una tornitura di sgrossatura di una serie di barre d acciaio (σ r = 800 N/mm 2 ) con un tornio parallelo avente le seguenti caratteristiche: potenza erogata dal motore 9 kw; n 1 = 30 giri/min, n 12 = 1500 giri/min, dodici velocità del mandrino; a 1 = 0,2 mm/giro, a 16 = 3 mm/giro, sedici velocità di avanzamento. Le barre da tornire presentano le seguenti dimensioni: lunghezza 200 mm; diametro iniziale 50 mm; diametro finale 44 mm. Per la lavorazione si utilizza un utensile in carburo metallico sinterizzato 20 x 20 UNI 4102 P20, per il quale è consigliata una velocità di taglio economica di 80 m/min (γ = 8, α = 6, sbalzo dell utensile 60 mm, angolo di direzione del tagliente χ = 45, coefficiente di forma G = 5).

8 Pagina 8 di 8 Il candidato, in base alle conoscenze acquisite durante il percorso formativo, tenendo conto dei dati indicati e completati dalle sue opportune assunzioni, determini: [1] le velocità del mandrino e gli avanzamenti del carrello; [2] i parametri di taglio; [3] la potenza di taglio e la potenza assorbita dal motore; [4] il tempo effettivo per effettuare la tornitura di una barra. Verifichi, inoltre, la stabilità del pezzo, assumendo una freccia di deformazione pari a 0,1 mm e la condizione di fissaggio più opportuna, nonché la stabilità dell utensile assumendo, in questo caso, una freccia d inflessione pari a 0,5 mm. 7) Si elenchino e si descrivano i fattori influenzanti la velocità di taglio. 8) Si calcolino i valori delle dodici velocità nominali del mandrino di un tornio sapendo che sono disposte in progressione geometrica e che gli estremi della serie sono n min = 30 giri/min e n max = 1210 giri/min. 9) Si calcolino i valori delle nove velocità nominali del mandrino di un tornio sapendo che la gamma delle velocità è scalata secondo la serie derivata R 20/3 (28). Si calcoli, inoltre, la ragione geometrica della serie. 10) Si tracci il diagramma polare delle velocità nominali del cambio dell esercizio 8 definendo i limiti del campo di variazione della velocità di taglio nonché i limiti del campo di variazione dei diametri che possono essere lavorati con ogni velocità di rotazione. 11) Tracciare il diagramma logaritmico del cambio dell esercizio ) Tracciare diagrammi polare e logaritmico del cambio relativo all esercizio 9.