Università del Salento Facoltà di Ingegneria Costruzione di Macchine

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1 Università del Salento Facoltà di Ingegneria Costruzione di Macchine Lezione 3 Prova di trazione a cura del prof. ing. Vito Dattoma e dell ing. Riccardo Nobile 1

2 Prove di caratterizzazione meccanica Prova di trazione Misura della durezza Misura della resilienza Misura della tenacità a frattura determinazione del K Ic determinazione del J Ic 2 V. Dattoma, R. Nobile Costruzione di Macchine - Prova di Trazione

3 Prova di trazione Caratteristiche generali La prova di trazione è la più semplice e veloce prova per la caratterizzazione di un materiale La prova consiste nell applicare una forza di trazione crescente nel tempo fino a determinare la rottura del provino La rottura del provino avviene in condizioni quasi statiche, in quanto il carico viene applicato lentamente La prova può essere eseguita a temperatura ambiente o a temperatura di esercizio La prova permette di determinare anche la legge costitutiva del materiale V. Dattoma, R. Nobile Costruzione di Macchine - Prova di Trazione 3

4 Prova di trazione Norme di riferimento Norma UNI EN (2004): Materiali metallici - Prova di trazione - Parte 1: Metodo di prova a temperatura ambiente Norma ASTM E8-04: Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials V. Dattoma, R. Nobile Costruzione di Macchine - Prova di Trazione 4

5 Prova di trazione Geometria del provino provino piatto R30 t 20 10±0, Dimensioni tratto utile L 0 > 5.65 A 0 (UNI 10002) L 0 > 5W (ASTM E8) 5

6 Prova di trazione Geometria del provino provino circolare Dimensioni tratto utile L 0 > 5.65 A 0 (UNI 10002) L 0 > 5D (ASTM E8) 6

7 Prova di trazione Attrezzature di prova Macchina universale di trazione Elettromeccanica 7

8 Prova di trazione Attrezzature di prova Macchina universale di trazione Servoidraulica 8

9 Prova di trazione Attrezzature di prova Estensometro 9

10 Prova di trazione Modalità di prova: ASTM E8 Il carico viene applicato imponendo una velocità di traslazione costante della traversa La velocità deve essere tale che: mm & ε 0.5 mm min N & σ mm s La velocità viene quindi calcolata sulla base del materiale e della lunghezza del tratto utile 10

11 Prova di trazione comportamento duttile Curva di trazione snervamento pronunciato Il tratto elastico termina con una discontinuità che rappresenta il carico di snervamento La pendenza del tratto elastico coincide con il modulo di Young di elasticità longitudinale del materiale 11

12 Prova di trazione comportamento duttile Curva di trazione snervamento convenzionale Quando la curva non presenta uno snervamento pronunciato, il carico di snervamento viene convenzionalmente fissato al raggiungimento di una deformazione permanente dello 0.2% 12

13 Prova di trazione comportamento fragile La curva mostra un tratto plastico molto limitato, in alcuni casi assente del tutto 13

14 Prova di trazione Influenza del contenuto di carbonio negli acciai Il maggiore contenuto di carbonio o la presenza di elementi di lega aumenta le caratteristiche meccaniche dell acciaio ma ne riduce le capacità di plasticizzazione i i 14

15 Prova di trazione Dati ottenibili da una prova di trazione σ Modulo elastico: E = [N/mm 2 ] ε Carico di snervamento: σ = [N/mm 2 y ] A Carico di rottura: σ = [N/mm 2 R ] A0 Allungamento a rottura: Lfin L0 A% % = 100 L Coefficiente di strizione: F y 0 F max Afin A0 Z% % = 100 A

16 Prova di trazione Incrudimento Dopo aver superato il carico di snervamento, il materiale si incrudisce ossia è necessario applicare un carico sempre crescente per far avanzare la deformazione permanente Se la prova viene interrotta dopo ilsuperamento del carico di snervamento e successivamente ripresa, il materiale avrà subito un incremento del limite di snervamento 16

17 Strizione Prova di trazione La strizione è una diminuzione localizzata della sezione resistente, corrispondente al valore massimo raggiunto dalla forza durante la prova Il carico poi decresce fino alla frattura finale per effetto della riduzione di sezione 17

18 Prova di trazione Meccanismo di frattura 18

19 Prova di trazione Aspetto della superficie di frattura a coppa e cono a scorrimento a lama a doppio di coltello cono 19

20 Prova di trazione Materiali polimerici Il comportamento dei materiali polimerici dipende fortemente dalla temperatura di prova 20

21 Prova di trazione Materiali elastomerici Il campo elastico è molto grande ma non lineare 21

22 Curva reale di trazione La curva nominale di trazione fornisce i valori caratteristici di tensione di rottura e di snervamento che vengono utilizzati per la verifica e la progettazione Per questa ragione tale curva viene detta anche curva ingegneristica Tale curva però non descrive perfettamente cosa accade nel materiale dopo lo snervamento, in quanto fa riferimento a grandezze nominali, misurate cioè prima della prova Se si vuole descrivere con maggiore precisione il comportamento del materiale, è necessario utilizzare i valori istantanei di lunghezza e sezione Si ottiene così la curva reale di trazione 22

23 Curva reale di trazione ¾Grandezze nominali: ¾Grandezze reali: F s= A0 P σ= A l e= l0 l dl ε = = ln l l0 l0 l 23

24 Curva reale di trazione Relazione tra grandezze reali e nominali Nel campo plastico, risulta valida l ipotesi di deformazione a volume costante: l A0 A0 l0 = A l = l 0 A Deformazione reale: e = l = l l l l l0 l0 0 Tensione reale: 0 = 1 l l 0 = 1+ e ε = ln l l 0 = ln(1 + e) σ = P A0 P A0 = = s(1 + e) A A A A

25 Curva reale di trazione Relazione tra grandezze reali e nominali La curva reale di trazione è monotona Rispetto alle grandezze nominali, quelle reali sono amplificate nei valori di tensione e ridotte in quelle di deformazione Le grandezze reali si discostano da quelle nominali solo nel campo plastico Le relazioni tra grandezze reali e nominali non valgono oltre la strizione, per effetto della disuniformità della tensione nella sezione Esempio di discordanza tra deformazioni nominali e reali e ε

26 Curva reale di trazione Relazione tra grandezze reali e nominali 26

27 Modelli Costitutivi La legge costitutiva di un materiale è la relazione analitica tra la tensione σ e la deformazione ε La legge costitutiva viene utilizzata come dato di partenza per il calcolo analitico e numerico delle sollecitazioni La curva utilizzata t è quella espressa in termini i delle grandezze reali 27

28 Modelli Costitutivi Materiale perfettamente elastico σ = E ε 28

29 Modelli Costitutivi Materiale elastico perfettamente plastico σ < σ y σ = E ε σ = σ y 29

30 Modelli Costitutivi Materiale rigido perfettamente plastico σ y σ = σ y 30

31 Modelli Costitutivi Materiale con incrudimento plastico lineare σ < σ y σ = E ε σ > σ y σ = σ + E ε y 1 p 31

32 Modelli Costitutivi Materiale con incrudimento plastico multilineare 32

33 Modelli Costitutivi Materiale con incrudimento continuo 33

34 Modelli Costitutivi Materiale con incrudimento continuo Legge di Ludwik σ = n K ε p ε p è la componente plastica della deformazione; n è il coefficiente di incrudimento; σ K = f ε è il coefficiente di resistenza; n f Relazione di Ramberg-Osgood ε = ε e + ε p = σ E + ε f σ σ f 1 n 34