MATERIALI PER L INGEGNERIA (Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale) Prof. Tommaso Pastore TEST ORIENTATIVO del 8 giugno 2007

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1 L MATERIALI PER L INGEGNERIA (Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale) Prof. Tommaso Pastore TEST ORIENTATIVO del 8 giugno 2007 Esercizio 1 In un cantiere, è richiesto il collaudo di una barra di ancoraggio in 51CrMoV4 di 10 m di lunghezza (L) e diametro ( ) 1 cm. In allegato sono descritte le principali proprietà del materiale. La verifica è effettuata in campo mediante l applicazione di pesi crescenti ad una delle estremità della barra. L altra estremità è appoggiata ad una trave rigida di grande sezione, inserita in un foro come mostrato nella figura. Calcolare la massa in chilogrammi necessaria per raggiungere lo snervamento della barra e il corrispondente allungamento (espresso in millimetri). Calcolare la massa necessaria per la rottura della barra. Dopo la rottura, la parte superiore si sfila ed è proiettata verso l alto. Stimare la massima altezza raggiunta nel caso in cui la rottura avvenga nel punto centrale della barra. (Suggerimento: al momento della rottura, la velocità delle due parti deve soddisfare i principi della conservazione della quantità di moto e dell energia). Proprietà meccaniche del materiale E 210 GPa 0,33 Rs 1100 MPa Rm 1280 MPa A% 10 Z% 12 HB 300 Limite di fatica 600 MPa 100 MPa.m ½ K c K th Parametri retta di Paris 7 MPa.m ½ n = 2 C= (cicli -1 MPa -2 ) Esercizio 2 Un elemento strutturale (le proprietà del materiale sono nella tabella di seguito riportata) è sottoposto a carichi variabili ciclici tra 60 MPa e 120 MPa. Le analisi non distruttive evidenziano la presenza di un difetto di lunghezza 7 mm, con fattore di forma ( ) pari a uno. Diagrammare e descrivere in modo sintetico la curva di propagazione per fatica. Considerando le proprietà del materiale, stimare il numero di cicli per la rottura. Considerando che la sollecitazione ha una frequenza di 20 Hz, calcolare il tempo massimo entro cui poter fare un intervento di manutenzione programmata.

2 Esercizio 3 Con riferimento alla figura, individuare i componenti microstrutturali che si formano durante il raffreddamento e commentare l andamento delle durezze riportate in corrispondenza di ciascuna curva di raffreddamento.

3 Esercizio 1 La figura descrive il sistema interno di monitoraggio dell inclinazione di un campanile, mediante uno filo appeso alla sommità e teso con un peso di 10 kg. Il filo è in Al 5154 H34 di 0,8 mm di diametro. Si pone il problema di aumentare il peso a 60 kg. Verificare l accettabilità della modifica e, se minore, il massimo peso consentito. Calcolare per questo peso la lunghezza del filo in assenza di carico. Calcolate la massima portata per la rottura. (Le proprietà del materiale sono descritte nei prospetti in allegato) 70 m 10 Kg Proprietà meccaniche del materiale Rs 1100 MPa Rm 1280 MPa A% 5 Z% 8 HB 300 LF 435 MPa Kc 35 E 210 GPa 0,33 Esercizio 2 Un elemento strutturale in acciaio ad alta resistenza meccanica è sollecitato al 70% del carico di snervamento. Stimare le dimensioni del difetto critico da individuare con i controlli non distruttivi. Le proprietà del materiale sono riportate nella tabella

4 Esercizio 3 Descrivere la morfologia della superficie di frattura di un elemento rotto a faticale in relazione alle diverse fasi della propagazione della cricca. Esercizio 4 Completare la curva CCC di un acciaio ipoeutettoidico descritta in figura con i punti di riferimento e individuare le diverse trasformazioni. Valutare la struttura dell acciaio dopo i due diversi raffreddamenti indicati dalle curve a. a b

5 scala Esercizio 1 Calcolare le dimensioni (diametro e lunghezza) del filo del dinamometro in figura, realizzato in lega di alluminio 2024 T4. in modo da ottenere una sensibilità di 0,1mm/kg e una portata massima di 100 kg. (Le proprietà del materiale sono riportate nel foglio allegato). Calcolate la massima portata dell asta per la rottura. cursore P Esercizio 2 Un elemento strutturale in acciaio 51CrMoV4 si rompe ad una sollecitazione di esercizio di 360 MPa per frattura fragile. Descrivere le principali caratteristiche della frattura fragile, confrontandola con quelle della frattura duttile. La frattura dell elemento strutturale si è originata da un difetto acuto di 3 mm esistente nel materiale. Le indagini non distruttive avviate su un altro elemento strutturale identico, non ancora in esercizio, evidenziano la presenza di cricche acute simili di 6 mm di profondità. Stimare la massima sollecitazione di esercizio ammissibile per evitare la rottura di questo elemento. Esercizio 3 Tracciare e descrivere le curve di fatica -N per un acciaio e una lega di alluminio. Esercizio 4 Disegnare il diagramma ferro carbonio (semplificato) individuando i punti principali. Individuare la microstruttura di un acciaio al carbonio con contenuto di carbonio di 0,2%. Descrivere l andamento qualitativo delle curve CCC per questo acciaio e valutarne la struttura a seguito di un trattamento di normalizzazione.

6 sforzo MPa sforzo MPa CrMoV4 Ti 6Al4V X100 inox 18-8 S 235JR Al 5154 H34 Ti 6Al4V 51CrMoV API 5L X100 Al 5154 H34 AISI 304 S235JR deformazione CrMoV Ti 6Al4V API 5L X S235JR AISI 304 Al 5154 H deformazione X100 steel AISI 18-8 (AISI304) S 235JR Al 5154 H34 Ti 6Al4V 51CrMoV4 E GPa , ,33 0,28 0,33 0,31 0,31 0,33

7 Esercizio 1 Un tabellone per le comunicazioni è sospeso al soffitto di un palazzetto dello sport tramite due sistemi di aggancio che sopportano ciascuno metà del peso. Il tabellone ha la forma di una trave a sezione rettangolare di dimensioni 20 m di lunghezza, 1 m di altezza, 0.5 m di larghezza e 4,6 t di peso. La trave è agganciata alle estremità con due sistemi di aggancio costituiti ciascuno da 10 fili metallici di 2 mm di diametro. Per la costruzione degli agganci sono presi in considerazione 3 acciai le cui caratteristiche meccaniche sono descritte dalle curve di trazione e dalla tabella riportate in allegato. Individuare l acciaio più conveniente per la costruzione dei fili motivandone la scelta. Stimare di quanto si inclina la trave a seguito della rottura di 2 fili di uno solo dei due sistemi di aggancio. Calcolare il numero di fili rotti per ciascun sistema di aggancio che produce il collasso della struttura. Proprietà meccaniche del materiale E 210 GPa 0,33 Rs 1100 MPa Rm 1280 MPa A% 10 Z% 12 HB 300 Limite di fatica 600 MPa 100 MPa.m ½ K c K th Parametri retta di Paris 10 MPa.m ½ n = 2 C= (cicli -1 MPa -2 ) Esercizio 2 Una barra di acciaio è sottoposta a una sollecitazione ciclica variabile tra 60 MPa e 120 MPa. Le analisi non distruttive evidenziano la presenza di un difetto di lunghezza 7 mm, con fattore di forma ( ) pari a uno. Diagrammare e descrivere in modo sintetico la curva di propagazione per fatica. Considerando le proprietà del materiale descritte in tabella e che la sollecitazione ha una frequenza di 20 Hz, stimare il numero di cicli per la rottura e il tempo massimo entro cui poter fare un intervento di manutenzione programmata. Esercizio 3 Con riferimento alle conoscenze di metallurgia acquisite nel corso e alle curve di trasformazione isoterma e con raffreddamento continuo riportate di seguito, valutare la microstruttura di un acciaio ipo-eutettoidico sottoposto ai seguenti cicli termici di lavorazione e trattamento termico. Prevedere in modo qualitativo le proprietà meccaniche dell acciaio al termine di ciascun ciclo (es.: alto, basso o medio carico di snervamento / tenacità / durezza ). Ciclo 1: riscaldamento a 900 C / 0.5h + tempra in sali fusi a 500 C + permanenza nel bagno per 3h + raffreddamento in aria 4 C/min Ciclo 2: riscaldamento a 900 C + raffreddamento 34 C/s fino a T.A. + riscaldamento 600 C / 1h +raffreddamento 10 C/min Ciclo 3: riscaldamento a 900 C + tempra in acqua 80 C/s fino a T.A. + riscaldamento 600 C / 1h + riscaldamento a 880 C per 1h + raffreddamento 83 C/h fino a T.A.

8 Curva CCC Curva TTT

9 Allegato St1 St2 St3 St4 St5 E GPa , ,33 0,28 0,33 0,31 0,31