PROVE DI RESISTENZA A TORSIONE PROVE DI RESILIENZA CHARPY PROVE DI RESISTENZA A TAGLIO SCHEDA DI APPROFONDIMENTO. Prove di laboratorio

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1 SCHEDA DI APPROONDIMENTO Prove i laoratorio PROVE DI RESISTENZA A TRAZIONE Le prove i resistenza a trazione sono essenziali per valutare le caratteristiche fonamentali e il comportamento el materiale sia sotto il profilo meccanico che ella lavorailità. Con questa prova infatti si possono eterminare la resistenza, l'elasticità e la eformailità tipiche i un materiale. La prova consiste nel sottoporre una provetta i forma e imensioni unificate a uno sforzo continuo e crescente fino alla sua rottura. La provetta ha forma cilinrica con estremità i iametro maggiore per il fissaggio alle ganasce; nella zona centrale la provetta eve avere un rapporto tra lunghezza ai segni i riferimento (L 0 ) e il iametro () tale che L 0 = 5. Durante l'allungamento nella zona centrale appare un restringimento ella sezione (strizione), che insieme alla forma ella frattura fornisce inicazioni sulle proprietà tecnologiche el materiale. La macchina universale registra gli allungamenti ella provetta in relazione ai carichi e ne elaora un grafico al quale si esumono ati fonamentali quali gli allungamenti percentuali, il carico al limite ella proporzionalità e il carico unitario i rottura. Macchina universale. L 0 = 5 Provetta unificata per prove i trazione Provetta iniziale Provetta con strizione Provetta rotta Molti materiali metallici hanno resistenza a trazione e a compressione con valori circa uguali; ma altri, come le ghise, resistono molto meno a trazione che compressione. All'opposto si comportano i legnami che resistono meglio a trazione che a compressione. PROVE DI RESISTENZA A LESSIONE È una prova che ha lo scopo i misurare il carico i rottura oppure le eformazioni i una provetta sollecitata a flessione. La prova si esegue su appositi macchinari o anche sulla macchina universale. La provetta viene poggiata su ue rulli paralleli a istanza L. Il carico viene esercitato con progressione grauale nel punto i mezzeria. Le eformazioni ella provetta vengono registrate e messe in relazione ai carichi esercitati, fino a pervenire alla rottura. Il carico unitario i rottura a flessione viene espresso al rapporto R fm = In questa relazione M fm esprime il momento flettente che ha prootto la rottura, mentre W f, chiamato moulo i resistenza a flessione ella sezione, è una quantità ipenente alla forma e alle imensioni ella sezione ella provetta. Nel riquaro vengono riportati i valori el moulo i resistenza a flessione per le sezioni i forma circolare, rettangolare e quarata. Per calcolare invece il momento flettente (M fm ) ella provetta, si M fm (N/mm ) W f osservi che a un carico corrisponono sugli appoggi elle reazioni i valore /. Pertanto in corrisponenza ella mezzeria, in cui lo sforzo è massimo e si verifica la rottura, il momento flettente è M f =. L = L 4 L/ L/ MODULO DI RESISTENZA A LESSIONE h Sezione rettangolare (N. mm) W f = h 6 Sezione quarata W f = 3 6 Sezione circolare W f = 0,1 3 PROVE DI RESISTENZA A COMPRESSIONE È analoga a quella i trazione ma in questo caso le forze hanno senso opposto alla trazione e tenono a schiacciare la provetta. La provetta unificata ha forma cilinrica con rapporto tra lunghezza e iametro pari a L0 = 1,5. 1,5 / / Nella prova i flessione la provetta è caricata al centro. Secono il SI la resistenza ei materiali si misura in N/mm. È a ricorare il rapporto tra il newton e il kg f (unità ancora usata ma scomparsa al SI): 1 N = 0,1019 kg f e il rapporto reciproco 1 kg f = 9,8066 N Momento i una forza rispetto a un punto è il prootto ella forza per il raccio, cioè la istanza el punto alla sua retta 'azione. L'importanza i questo valore è eviente nei casi i leve o corpi rotanti. P raccio Copyright 011 Zanichelli Eitore SpA, Bologna [637/DER] 1

2 Prove i laoratorio In materiali poco eformaili la prova prevee che la provetta sia poggiata su ue rulli e sia sollecitata a ue carichi uguali e simmetrici rispetto agli appoggi. Prova i flessione con ue carichi simmetrici. / / / PROVE DI RESISTENZA A TORSIONE PROVE DI RESISTENZA A TAGLIO Copyright 011 Zanichelli Eitore SpA, Bologna [637/DER] / Con questa prova si misura la resistenza che un materiale oppone a una sollecitazione i torsione; questa consiste in ue coppie i forze opposte che agiscono su piani iversi, perpenicolari all'asse el pezzo. Analogamente alla flessione, anche in questo caso le forze creano un momento torcente al quale si oppone la resistenza el materiale. Il carico unitario i rottura a torsione è ato alla relazione R tm = M tm (N/mm ) W p Per materiali poco eformaili vi sono ue carichi simmetrici. Il momento torcente è il prootto ella forza per il raccio: M t =.. nella quale M tm è il momento torcente i rottura e W p il moulo i resistenza polare, ipenente a forma e imensioni ella sezione. Per sezioni circolari, frequenti in caso i torsione, si ha W p = 0, 3. Normalmente la prova si effettua su fili o arre cilinriche meiante macchine specifiche per questa sollecitazione. È una prova che ha lo scopo i misurare la resistenza che un materiale oppone a una sollecitazione i taglio; questa consiste in ue forze opposte che agiscono su un piano perpenicolare all'asse el pezzo. La resistenza al taglio è espressa alla relazione τ = (N/mm ) S nella quale è il valore el carico e S l'area ella sezione ella provetta. Poiché nella sollecitazione i taglio spesso è presente anche una sollecitazione i flessione, che iminuisce la resistenza al taglio, si aumenta il valore i resistenza al taglio con un coefficiente 4/3. Pertanto si ha: τ = 4. (N/mm ) 3 S La prova su arra cilinrica si esegue con la macchina universale che utilizza apposite staffe in cui viene alloggiata la provetta (vei figura). In questo caso il carico opera su ue sezioni e pertanto l'area ella sezione resistente al taglio sarà oppia. SCHEDA DI APPROONDIMENTO Provetta RESISTENZA AL TAGLIO IN RAPPORTO ALLA RESISTENZA A TRAZIONE Prova i taglio su arra cilinrica. Nella pratica i progetto la resistenza al taglio (τ) si può ricavare alla resistenza a trazione (R m ) meiante appositi coefficienti. Materiale Rapporto tra τ e R m Acciaio τ = 0,8 R m Ghisa τ = 1,1 R m Leghe leggere a foneria τ = 0,9 R m Leghe leggere a lavorazioni plastiche τ = 0,6 R m PROVE DI RESILIENZA CHARPY La resilienza è la resistenza el materiale alle sollecitazioni inamiche (urti). I materiali che presentano un alta resilienza vengono etti tenaci, mentre quelli che presentano una assa resilienza sono etti fragili. In generale esiste un rapporto inverso tra la resilienza e le altre proprietà meccaniche; per esempio materiali come gli acciai uri sono fragili, mentre sono tenaci quelli con scarsa resistenza alle sollecitazioni statiche, quali gli acciai olci o le leghe leggere. Per i materiali metallici si usa in generale la prova che utilizza il penolo i Charpy. Prova con il penolo i Charpy È una prova i rottura per urto a flessione su una provetta i forma e imensioni unificate. La provetta è un arretta a sezione quarata con un intaglio centrale a forma i U oppure a forma i V. L'intaglio a forma i U può avere profonità 5 mm nel caso i metalli orma e imensioni elle iverse provette

3 Prove i laoratorio SCHEDA DI APPROONDIMENTO ferrosi, mentre è profono mm nel caso i metalli non ferrosi (leghe ell'alluminio e el rame). In questo caso la resilienza è caratterizzata al simolo KCU. Su provette in metalli ferrosi si usa anche l'intaglio a V, profono mm; in questo caso la resilienza è esignata al simolo KV. La macchina per le prove i resilienza consiste in una incastellatura che sostiene una mazza oscillante; per questo la macchina è anche chiamata penolo i Charpy. La mazza può essere loccata a una ata altezza; opo avere posizionato la provetta in un apposito alloggiamento e con intaglio rivolto al lato opposto alla mazza, si può lierare la mazza che in cauta liera urta contro la provetta. R R sen α h α Posizione finale Posizione iniziale Schema per il calcolo ella resilienza R H reno Quarante con inice Mazza Provetta Basamento Il lavoro speso per rompere la provetta si calcola per ifferenza tra il lavoro (L 1 ) che la mazza compie in cauta prima ell'urto e il lavoro resiuo (L ) che le consente i risalire opo l'urto. L 1 è ato alla forza, e cioè il peso ella mazza (P), per lo spostamento (H) alla posizione iniziale fino all'urto, quini L 1 = P. H Analogamente L è ato al prootto tra peso ella mazza per l'altezza i risalita (h), e cioè L = P. h Il valore i h è fornito alla macchina meiante l'angolo i risalita (α) segnalato all'inice sul quarante e attraverso il valore i R (raggio i oscillazione el penolo). Dalle relazioni trigonometriche possiamo ricavare h = R R sen α Esseno noto il valore i h, è noto anche L e quini la ifferenza tra L 1 e L, cioè il valore i L. Con questo valore possiamo ricavare il valore ella resilienza K = L/S. VALORI DELLA RESILIENZA DI ALCUNI MATERIALI (J/cm ) Acciai olci 0 Acciai inox 198 Acciai uri Bronzo 30% Sn 30 Ottone 50% Cu 0 40 Anticoroal Dopo la rottura la mazza continua il moto penolare fino a una certa altezza che la macchina è in grao i registrare meiante un inice angolare; esso viene azzerato prima ella prova e inica sul quarante l'angolo i risalita el penolo. Disposizione ella provetta nel suo alloggiamento: l'intaglio è al lato opposto a quello ella mazza. La macchina è provvista i freno per le oscillazioni el penolo e i ispositivi i protezione. Calcolo ella resilienza La resilienza viene misurata meiante la relazione K = L (J/cm) S in cui L è il lavoro speso per spezzare la provetta e S l'area ella sua sezione. Il valore i S è noto: 0,8 cm oppure 0,5 cm a secona ell'intaglio nella provetta. Dalla prova isogna invece rilevare i ati che consentono i calcolare il lavoro L in ase al seguente proceimento. Copyright 011 Zanichelli Eitore SpA, Bologna [637/DER] PROVE DI DUREZZA La urezza è la resistenza che il materiale oppone ai carichi concentrati. La misurazione ella urezza fornisce ati estremamente importanti sulla lavorailità el materiale, sugli effetti i trattamenti termici, sulla resistenza a trazione. Inoltre per misurare la urezza si usano prove non istruttive, che quini possono essere applicate non solo su provette ma anche su pezzi finiti. Le macchine utilizzate a questo scopo prenono il nome i urometri. In generale le prove i urezza si eseguono meiante un penetratore i notevole urezza che, sotto l'azione i un certo carico, lascia un'impronta sulla superficie el materiale. Il rapporto tra carico e imensione ell'impronta efinisce il valore ella urezza. Nel SI il lavoro è misurato in joule (J = N. m). Per eventuali conversioni alla preceente unità i misura el lavoro (il kg f. m), ora aanonata, si ricorano le relazioni N = 0,10 kg f J = 0,10 kg f. m 1 kg f. m/cm = 9,81 J/cm 1 J/cm = 0,10 kg f. m/cm 3

4 Prove i laoratorio A secona ella forma e elle imensioni el penetratore si hanno iversi metoi i misurazione ella urezza. I più frequenti vengono escritti i seguito. Metoo Brinell È un metoo utilizzato per metalli non particolarmente uri; per quelli più uri si preferisce fare riferimento a altri metoi. Usa un penetratore in acciaio temprato i forma sferica i iametro 10 mm. In taluni casi il penetratore ha iametro 5 mm oppure,5 mm. La urezza Brinell, inicata con il simolo HB, è ata al rapporto tra carico e superficie ell'impronta lasciata al penetratore sul pezzo: HB = S Il carico () viene espresso in N (newton) che a alcuni anni ha soppiantato l'uso el kg f ; per evitare che il camiamento i unità comportasse un variazione generale ei valori elle urezze note in preceenza, l UNI ha elierato i introurre nella formula il coefficiente 0,10 per far sì che i nuovi valori (espressi in N) coinciessero con quelli preceentemente espressi in kg f. Pertanto la relazione utilizzata per la urezza Brinell è HB = 0,10 S In questa relazione il valore i S esprime la superficie ell'impronta, una calotta sferica i iametro uguale a quello el penetratore; in ase alle relazioni geometriche il valore i S si può ricavare al iametro ell'impronta: S = π D. 1 (D D ) Calcolato il valore i S e noto il carico, si può ricavare la urezza HB. I carichi applicati sono rapportati al iametro el penetratore a secona el materiale: per esempio = 30 D per metalli uri, mentre = 0,5 D nel caso el piomo. Il carico è variaile per far sì che l'impronta sia contenuta entro certi limiti (0,4 0,6 D). In conizioni normali si usa un penetratore i 10 mm con carico i N (3000 kg f ) applicato per 15 seconi. In conizioni iverse la urezza Brinell si esigna con il simolo HB seguito nell'orine al iametro ella sfera, valore el carico (in kg f ) e tempo i applicazione el carico. Per esempio: 300 HB inica un valore 300 ella urezza Brinell, con sfera i Ø 10 mm e con carico i 3000 kg f applicato per 15 seconi. 180 HB 5/50/0 inica una urezza Brinell i valore 180, misurato con sfera i Ø 5 mm, carico i 50 kg f applicato per 0 seconi. Dai valori i HB si può ricavare con uona approssimazione anche la resistenza a trazione el materiale, meiante taelle unificate i conversione. Penetratore Pezzo D Metoo Vickers In questo metoo si usa un penetratore i iamante a forma i piramie a ase quarata con angolo i 136 tra facce opposte. La urezza Vickers, inicata con il simolo HV, è ata al rapporto tra carico e superficie ell'impronta lasciata al penetratore sul pezzo HV = 0,189 In questa relazione esprime il carico (in N) mentre rappresenta la iagonale ell'impronta piramiale lasciata al penetratore. La presenza el coefficiente 0,189 è ovuta sia al calcolo ella superficie ell'impronta meiante la iagonale sia al camiamento i unità el carico; infatti, come nel caso ella urezza Brinell, il passaggio al kg f al N avree creato un mutamento generale ei valori ella urezza Vickers, evitaile con l'introuzione i un coefficiente i conversione. Le conizioni normali ella prova preveono un carico i 94 N (30 kg f ) applicato per Penetratore un tempo i seconi. In conizioni iverse la esignazione ella urezza Vi- 136 ckers prevee che, opo la sigla HV, vengono inicati nell'orine il carico (in kg f ) e il tempo i applicazione. Per Pezzo esempio: 300 HV inica una urezza Vickers i valore 300, con carico i 94 N applicato per seconi. 640 HV 30/0 inica una urezza Vickers i valore 640, ottenuto con un carico i 30 kg f applicato per 0 seconi. Durometro Vickers. SCHEDA DI APPROONDIMENTO Impronta Penetratore e impronta nella prova i urezza Vickers. Penetratore e impronta nella prova i urezza Brinell. Impronta Le relazioni che legano il newton (N) al kilogrammo-forza (kg f ) sono 1 N = 0,10 kg f 1 kg f = 9,81 N Copyright 011 Zanichelli Eitore SpA, Bologna [637/DER] 4

5 Prove i laoratorio Metoo Rockwell Questo metoo è più usato ei preceenti perché consente una lettura immeiata ella urezza all'apparecchio. Si usano ue tipi i penetratori iversi: SØ 1,587 Penetratore ella prova HRB: sfera in acciaio. 10 R 0, Penetratore ella prova HRC: cono i iamante. sfera 'acciaio (Ø 1,587 mm = 1/16") per materiali non molto uri; in questo caso il valore ella urezza Rockwell è esignato alla sigla HRB. cono i iamante (angolo 10 e raccoro al vertice i R 0, mm) per materiali uri; in questo secono caso il valore ella urezza viene esignato alla sigla HRC. La prova consiste nell'applicare un carico iniziale 0 i 98 N (10 kg f ) che provoca una prima impronta (i profonità a); opo aver azzerato l'inice ello strumento si applica un secono carico 1 fino a giungere a un carico totale i 981 N (100 kg f ) per la prova HRB oppure i 1470 N (150 kg f ) per la prova HRC. SCHEDA DI APPROONDIMENTO Quini si toglie il secono carico, manteneno il primo; il rientro elastico el materiale fa risalire il penetratore e, opo un assestamento, l'inice segnala il valore ella urezza oppure la profonità resiua (e). Le ue iverse prove forniscono ei valori numerici pari a: 130 e (per la prova HRB); quini sono valori compresi tra 0 (minimo) e 130 (massimo). 100 e (per la prova HRC); quini sono valori compresi tra 0 (minimo) e 100 (massimo). Durometro in grao i eseguire prove i urezza Brinell, Vickers e Rockwell. In quest'ultimo caso il valore ella urezza è leggiile irettamente sul isplay. HRB HRC 1ª ase: PRECARICO Si applica un carico i 98 N e si azzera l'apparecchio = 98 N a 0 = 98 N a ASI DELLE PROVE HRB E HRC = 981 N ª ase: SOVRACCARICO Con il secono carico il totale arriva a 981 N per la HRB e a 1470 per la HRC. = 1470 N Copyright 011 Zanichelli Eitore SpA, Bologna [637/DER] Controllo imensionale i un penetratore Rockwell. Le irregolarità el profilo sferico sono causa i incertezza nella misurazione ella urezza. 0 0 = 98 N e 3ª ase: LETTURA Tolto il sovraccarico, si mantiene il precarico i 98 N e si legge il valore Rockwell. 0 0 = 98 N a = profonità a precarico = profonità a sovraccarico e = profonità resiua Secono le norme UNI per le prove Brinell, Vickers e Rockwell i valori elle urezze sono privi i unità i misura, sono cioè ei numeri puri; ciò nonostante siano stati ricavati a misure in N, in mm o in mm. e CONVERSIONE TRA TIPI DI DUREZZE HB 10/3000/30" HV HRC = 1470 N HRB = 980 N