PROPRIETÀ DEI MATERIALI

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1 ESERCITAZIONE 1 PROPRIETÀ DEI MATERIALI SONO LE GRANDEZZE IL CUI VALORE DESCRIVE IL COMPORTAMENTO DEL MATERIALE IN PRESENZA DELLE DIVERSE SOLLECITAZIONI E CONDIZIONI DI SERVIZIO COSTITUISCONO L ELEMENTO FONDAMENTALE PER QUALSIASI CONFRONTO FRA I MATERIALI E PER IL LORO CORRETTO IMPIEGO SPECIFICHE DEI MATERIALI E FONDAMENTALE PER UN CORRETTO RAPPORTO FRA FORNITORE E COMMITTENTE DISPORRE DI UNA COMPLETA DESCRIZIONE DELLE CARATTERISTICHE DI UN COMPONENTE O DI UN MATERIALE. TALE DESCRIZIONE VIENE DATA ATTRAVERSO DOCUMENTI CHE PRENDONO IL NOME DI SPECIFICHE LE SPECIFICHE CONTENGONO LA DESCRIZIONE DEL MATERIALE, IL VALORE DELLE GRANDEZZE CHE LO CARATTERIZZANO E LE NOTIZIE RELATIVE ALLA LORO TECNOLOGIA. LE SPECIFICHE SONO DOCUMENTI UFFICIALI CHE CONSENTONO DI IMPEGNARE IL PRODUTTORE A FORNIRE UN MATERIALE CON LE CARATTERISTICHE DESCRITTE. CLASSIFICAZIONE DELLE PRINCIPALI PROPRIETÀ ROPRIETÀ MECCANICHE ROPRIETÀ ELETTRICHE E MAGNETICHE ROPRIETÀ TERMICHE Proprietà e prove meccaniche Servono per definire la resistenza di un certo materiale a sollecitazioni di tipo meccanico. Le principali sono: prova di trazione; prova di compressione; prova di durezza; prova di resilienza; prova di flessione. Vediamo nel dettaglio le singole prove definendo i criteri con cui vengono eseguite. 1

2 Prova di trazione Fornisce indicazioni quantitative sulla tendenze di un materiale a resistere ad uno sforzo di trazione. La prova consiste nel sottoporre una provetta del materiale in esame ad uno sforzo assiale gradualmente crescente fino a provocarne la rottura. Sotto l'azione dello sforzo di trazione la provetta si allunga e si restringe presentando un comportamento diverso durante la prova. L'andamento del carico in funzione dell'allungamento consente di evidenziare il diverso comportamento ed i suoi punti caratteristici. Facendo riferimento ad un possibile grafico carichi-allungamenti, riportato in fig. 1, definiamo singolarmente i diversi punti. Carico al limite di proporzionalità F P. Carico fino al quale la deformazione segue la legge di proporzionalità tra deformazione (allungamento) e carico stabilita da Hooke. Il tratto di curva che precede il valore F P risulta perciò rettilineo. Infine per carichi inferiori ad F P le deformazioni sono elastiche ossia scompaiono quando cessa l'azione del carico. Al disotto del valore di F P si definisce il modulo di elasticità o modulo di Young E, definito come il rapporto tra il carico unitario r P e l'allungamento unitario P corrispondente: E r N mm P = in cui: p r P = R S P 0 N mm dove: R P rappresenta il carico applicato ed S 0 la sezione iniziale del provino. mentre l'allungamento unitario è definito come: L P p = L0 in cui: L P rappresenta l'allungamento mentre L 0 è la lunghezza iniziale del provino. Carico al limite di elasticità F e. In questo tratto le deformazioni continuano ad essere elastiche ma non vale più la legge di proporzionalità tra carichi e deformazioni. E' importante osservare che nelle applicazioni pratiche non bisogna mai superare questo valore di carico. Carico di snervamento F s. Superato il carico F e le deformazioni diventano permanenti ma rimangono ancora abbastanza limitate finché il carico rimane confinato entro il carico di snervamento F s. Le oscillazioni del carico durante la fase di snervamento sono prodotte da incrudimenti locali, che aumentano la resistenza del materiale, intervallati da cedimenti improvvisi. Carico di rottura. Superato il carico di snervamento inizia il processo di rottura del provino. Il materiale oppone una certa resistenza fino ad un carico massimo F M che rappresenta il carico più alto che il provino risulta essere in grado di sopportare, successivamente la curva cambia pendenza e l'ultimo carico che il provino sopporta prima di rompersi è detto carico ultimo F u.

3 carichi F M F u F s F e F p Figura 1 Grafico carichi-allungamenti allungamenti Prova di compressione Fornisce indicazioni quantitative sulla tendenze di un materiale a resistere ad uno sforzo di compressione. La prova viene effettuata sottoponendo ad una forza di compressione un provino unificato di materiale, facendo crescere il carico lentamente finché non si notano le prime incrinature sulle facce del provino. Occorre sottolineare che la resistenza a compressione di quasi tutti i materiali metallici non differisce molto dalla resistenza a trazione. Prova di durezza Fornisce indicazioni quantitative sulla tendenze di un materiale a resistere a sollecitazioni superficiali che tendono a spostare piccole quantità di materia. La prova di durezza può essere effettuata mediante uno dei seguenti metodi: Brinell; Rockwell; Vickers. Prova di durezza Brinell. Consiste nel praticare sulla superficie del pezzo da esaminare una impronta permanente attraverso una sfera in acciaio alla quale viene applicato un carico prestabilito. La durezza Brinell HB viene definita come il rapporto fra il carico applicato alla sfera F, espresso in kg f, e la superficie dell'impronta S, espressa in mm. Considerando che l'impronta presenta la forma di una calotta sferica, il valore HB di risulta: HB = F = S F ( ) D D D d kg f mm 3

4 in cui, osservando la fig., D rappresenta il diametro della sfera e d il diametro dell'impronta. F D d Figura Misura della durezza Brinell Nella tabella seguente vengono riportati alcuni valori medi della durezza Brinell. MATERIALI DUREZZA BRINELL Acciaio al carbonio Ghisa bianca 400 Alluminio 30 Rame crudo 85 Gli inconvenienti che presenta la misura della durezza secondo la prova Brinell sono legati principalmente alle incertezze di misurare materiali molto duri ed aventi superfici sferiche o cilindriche. Prova di durezza Vickers. Si basa sullo stesso principio della prova di durezza Brinell ma utilizza un penetratore di diamante a punta piramidale e base quadrata. Analogamente alla prova Brinell, viene determinata facendo il rapporto tra il carico applicato al penetratore F e al superficie dell'impronta S. Facendo riferimento alla fig. 3, la durezza Vickers è espressa come: HV F = = S F a 4 1 a sin68 = F d d 4 1 sin68 F kg f = 1854, d mm Infine, occorre osservare che la prova di durezza Vickers consente di evitare i problemi sopra descritti relativi alla prova di durezza Brinell. 4

5 F 68 d a Figura 3 Misura della durezza Vickers Prova di durezza Rockwell. Consiste nel far penetrare in due tempi e con carichi diversi, nello strato superficiale del pezzo, un penetratore di forma e tipo unificato e nel determinare la variazione di profondità raggiunta nelle due prove. Più in dettaglio, la prova viene effettuata in tre fasi distinte che, facendo riferimento alla fig. 4, possono essere così riassunte: 1. viene applicato un carico al penetratore di valore unificato F 1, il quale ha lo scopo di praticare una piccola impronta che consente di rendere più sicura la successiva impronta;. viene applicato, oltre ad F 1, un secondo carico F che ha lo scopo di produrre l'impronta di massima profondità; 3. viene tolto il carico F e lasciato il solo carico F 1. La reazione elastica del materiale produce un innalzamento del penetratore pari ad h r mentre permane, rispetto alla fase 1, una impronta permanente pari ad h p che consente di definire la durezza Rockwell. In particolare la durezza Rockwell può essere espressa attraverso due differenti scale: HRC=100-e (scala C) HRB=130-e (scala B) in cui la quantità e è misurata in unità convenzionali; per ogni unità convenzionale corrisponde una penetrazione h p di 0.00 [mm]. 5

6 F 1 F 1 + F F1 hr Figura 4 Misura della durezza Rockwell hp La prova di durezza Rockwell consente di limitare la dimensione delle impronte. Prova di resilienza La resilienza definisce la resistenza all'urto dei materiali. Viene effettuata mediante una macchina chiamata pendolo di Charpy (fig. 5). Essa è costituita da una mazza, di peso P, incernierata ad una estremità che partendo da un'altezza prestabilita viene fatta impattare contro un provino di materiale da analizzare di sezione S. Quando la mazza urta contro il provino possiede energia sufficiente per rompere il provino e continuare la sua corsa; la differenza tra l'energia potenziale iniziale e finale della mazza rappresenta il lavoro necessario a provocare la rottura del provino. Il rapporto tra questa energia e la sezione del provino fornisce la resilienza: ( i f ) R = P h h S kg f mm h f h i Figura 5 Schema per la prova di resilienza Prova di flessione Viene effettuata sollecitando un provino di materiale da analizzare di lunghezza L attraverso una forza trasversale F, lentamente crescente, fino a provocarne la rottura. (fig. 6). Il rapporto tra il momento flettente applicato M f ed il modulo di resistenza W della sezione trasversale rispetto all'asse neutro fornisce la resistenza a flessione: 6

7 R f M f = = W FL 4W kg f mm F L Figura 6 Prova di resistenza a flessione Il modulo di resistenza W dipende dal tipo di sezione; per sezioni circolari risulta: W d = π 3 3 in cui d è il diametro della sezione. Mentre per sezioni rettangolari: W = bh 6 in cui b ed h rappresentano le dimensioni della sezione rettangolare (fig. 7). h b Figura 7 Sezione rettangolare Proprietà elettriche e magnetiche Le principali grandezze elettriche e magnetiche possono essere così riassunte: resistività elettrica (conducibilità elettrica); 7

8 permettività dielettrica relativa; suscettività dielettrica; rigidità dielettrica. permeabilità magnetica; suscettività magnetica; cifra di perdità; Ognuna delle grandezze verrà analizzata a fondo nel seguito del corso. 8

9 Proprietà termiche Le principali proprietà termiche dei materiali metallici sono: la capacità termica massica; la conducibilità termica; il coefficiente di dilatazione termica; la temperatura di fusione. Capacità termica massica o calore specifico. Rappresenta la quantità di calore, espressa in J, necessaria per innalzare di un grado C la temperatura di un kg di un dato materiale. Occorre osservare che essa è funzione della temperatura alla quale si trova il materiale. Ad esempio, il rame, nell'intervallo tra 0 e 100 C, ha una capacità termica massica media pari a: 0,45 kj kg C mentre il calore specifico espresso in kcal kg C, ricordando che: 1 cal = 4, 18 J risulta: 0,11 kcal kg C Conducibilità termica. Rappresenta la quantità di calore Q che attraversa la sezione di 1 [m ] di un campione del materiale in esame avente facce piane e parallele distanti 1 [m], quando tra le due facce viene applicata una differenza di temperatura di 1 [ C]. Infatti, dato uno strato di materiale avente conducibilità termica k c, spessore d, superficie S e sottoposto ad una differenza di temperatura, la quantità di calore trasmessa tra le due superfici nell'intervallo di tempo t è data dalla formula: Q k S t θ = c d J da cui si osserva che se S=1 [m ], d=1 [m], t=1 [s] e =1 [ C]: Qd k = Q W c S t θ = m C Ad esempio per il rame: k c = 373 W m C 9

10 Coefficiente di dilatazione termica lineare. Rappresenta l'allungamento L subito da un solido avente lunghezza L=1 [m] e sottoposto ad una differenza di temperatura =1 [ C]. Infatti, la dilatazione lineare L di un corpo lungo L, sottoposto ad una differenza di temperatura, è regolato dalla legge: L = α L θ da cui si osserva che se L=1 [m] e =1 [ C], allora: L α = = L L θ 1 C Ad esempio per il rame: 6 α = C Temperatura di fusione. Rappresenta la temperatura θ f, alla quale il materiale passa dallo stato solido a quello liquido. Ad esempio per il rame si ha: θ f = 1083 C 10