Prova di trazione e compressione

Prova di trazione e compressione

SFORZO E DEFORMAZIONE NEI METALLI I metalli vanno incontro a deformazione sotto l azione di un sistema di forze Deformazione elastica: il metallo ritorna alla sua configurazione iniziale quando le forze sono rimosse Deformazione plastica: il metallo è deformato ad un valore tale che non è possibile recuperare la sua configurazione iniziale

DEFORMAZIONE ELASTICA t -t

DEFORMAZIONE PLASTICA t -t Sforzo teorico=1.00010.000 Sforzo reale

SOLLECITAZIONI ELEMENTARI A 1 F A 0, l 0 = sezione e lunghezza iniziali A 1, l 1 = sezione e lunghezza finali A, l = sezione e lunghezza istantanee F A 0 a t l 1 A 1 q l 0 l 0 b l 1 A 0 F F t Trazione uniforme Compressione uniforme Taglio

SFORZO E DEFORMAZIONE NOMINALI forza a trazione assiale media TENSIONE NOMINALE F A 0 superficie resistente iniziale DEFORMAZIONE NOMINALE l l 0 variazione di lunghezza del provino ad un certo istante della prova lunghezza del tratto utile del provino A 0 Δl Unità della tensione: PSI or N/m 2 (Pascal) 0 A 0 1 PSI = 6.89 x 10 3 Pa 1 MPa = 10 6 Pa = 1 N/mm 2 1 GPa = 10 9 Pa = 10 3 MPa

RAPPORTO DI POISSON ( laterale ) y x - - - ( longitudin ale) z z Z 0 w 0 w X Y - w - - w 0 0 l0 w 0 Per i materiali ideali dovrebbe essere =0.5. Solitamente il rapporto di Poisson varia tra 0.25 e 0.4. Esempi: Acciaio inossidabile 0.28 Rame 0.33

RAPPORTO DI POISSON - - x y È tipico di un materiale

SFORZO E DEFORMAZIONE DI TAGLIO τ = S (forza di taglio) A (superficie di applicazione della forza di taglio) γ = spostamento a distanza h sulla quale agisce lo sforzo Modulo di taglio G = τ / γ

PROVA DI TRAZIONE La caratterizzazione convenzionale dei materiali metallici viene effettuata attraverso la prova di trazione acciaio La prova consiste nell assoggettare un campione del materiale ad uno stato di tensione monoassiale noto e nel misurare la corrispondente deformazione.

In campo elastico: PROVA DI TRAZIONE CAMPO ELASTICO LA PROVA DI TRAZIONE Teoricamente, in campo elastico la parte della curva interessata è un segmento rettilineo e le deformazioni si annullano se il carico viene riportato a zero Teoricamente in queste condizioni la parte della curva interessata è un segmento rettilineo, e le deformazioni si annullano se il carico viene riportato a zero Realmente, Realmente, la curva la curva si discosta si discosta quasi quasi subito subito dalla dalla tangente tangente all origine, all origine, ma ma se lo scostamento se lo scostamento è molto piccolo, è molto scaricando piccolo, il scaricando provino la deformazione il provino la deformazione si annulla e si si può quindi annulla ritenere e valida quindi la si relazione può ritenere lineare valida tra sforzi la legge e deformazioni di Hooke. (legge di Hooke)

PROVA DI TRAZIONE CAMPO PLASTICO A partire dal punto S si ha un cedimento improvviso del materiale, che rappresenta l inizio del campo plastico. Ne segue l effetto di incrudimento dei cristalli deformati plasticamente Il carico di snervamento può manifestarsi ben visibile, presentando un tratto oscillante di cui si può valutare il valore inferiore e superiore; in caso contrario, se ne calcola un valore convenzionale

PROVA DI TRAZIONE DEFORMAZIONI LOCALIZZATE A partire dal punto M ha inizio il fenomeno della strizione, in seguito al quale tutta l ulteriore deformazione si concentra in una zona circoscritta del provino Il carico in corrispondenza del punto M è definito carico di rottura, in corrispondenza del quale si valuta la resistenza a trazione del materiale In corrispondenza del punto U si calcola il carico ultimo

Carico Tecnologia Meccanica PROVA DI TRAZIONE TENACITÀ LA PROVA DI TRAZIONE L area sottesa dalla curva tensione deformazione rappresenta l energia L area sottesa dalla curva tensione-deformazione rappresenta assorbita l energia dal assorbita provino dal prima provino di prima giungere della a rottura rottura ed è ed indice è indice della della tenacità tenacità del del materiale. F M tenace F u deformazione u

PROVA DI TRAZIONE PROVINO Il provino è generalmente costituito da una barretta a sezione circolare ed ha forma e dimensioni standardizzate (norma UNI-EN 10002:2004) L 0 5.65 S 0 L 0 5d 0 per provini cilindrici Le estremità sono conformate in modo da garantire un corretto afferraggio della macchina di prova La lunghezza L 0 rappresenta la parte del provino a sezione ridotta nella quale avviene uno stato di deformazione uniforme e quindi la rottura del provino stesso: essa è evidenziata da due riferimenti incisi sul provino

PROVA DI TRAZIONE PROVINO

CURVA TENSIONI NOMINALI - DEFORMAZIONI NOMINALI strizione rottura Limite di proporzionalità snervamento (0.2%) Limite di elasticità

CURVA TENSIONI NOMINALI - DEFORMAZIONI NOMINALI Inizio delle grandi deformazioni di tipo plastico Tratto elastico lineare s e Dopo la strizione il provino giunge a rottura

MODULO DI YOUNG Modulo di Elasticità (E) : lo sforzo e la deformazione hanno una relazione lineare nel campo elastico (Legge di Hooke) E = σ (sforzo) ε (deformazione) Maggiore è la resistenza di legame, maggiore è il modulo di elasticità Δε Δσ E tan Porzione lineare della curva sforzo/deformazione Esempi: Modulo di elasticità dell acciaio: 207 GPa Modulo di elasticità dell alluminio: 76 GPa

MODULO DI YOUNG

PROPRIETÀ TENSORIALI RILEVABILI DA UNA PROVA DI TRAZIONE Tensione limite di proporzionalità p Tensione limite di elasticità e Tensione di flusso plastico y Resistenza a trazione r G t Carico ultimo u

TENSIONE DI FLUSSO PLASTICO O SFORZO DI SNERVAMENTO Lo sforzo di snervamento è lo sforzo oltre il quale il metallo o la lega mostrano deformazione plastica offset sforzo di snervamento a 0.2% è quello sforzo al quale avviene una deformazione plastica pari allo 0.2% La linea di costruzione, che parte allo 0.2% di deformazione, parallela al campo elastico, viene disegnata per trovare l offset dello sforzo di snervamento allo 0.2% di deformazione

RESISTENZA A TRAZIONE La resistenza a trazione ( r ) è il massimo sforzo raggiunto in una curva sforzo-deformazione La strizione inizia quando viene raggiunto r Più duttile è il metallo, maggiore è la strizione prima della rottura Lo sforzo aumenta fino a rottura. La decrescenza della curva - è dovuta al calcolo dello sforzo basato sull area iniziale s f o r z o Al 2024-Temprato Punto di strizione Al 2024-Ricotto deformazione Curve / di Al 2024 con due diversi trattamenti termici. Il provino duttile ricotto presenta una strizione più marcata

ALLUNGAMENTO PERCENTUALE L allungamento percentuale è una misura della duttilità di un materiale È l allungamento del metallo a seguito della rottura, espresso come percentuale rispetto alla lunghezza iniziale A% L f - L 0 L 0 100 Misurata usando un calibro unendo le due parti fratturate Esempi: Al puro 35% lega di alluminio 7076-T6 11%

STRIZIONE PERCENTUALE La riduzione percentuale dell area della sezione retta del provino (o strizione percentuale) è un altra misura della duttilità Il diametro della zona fratturata viene misurato con un calibro La riduzione percentuale di area nei metalli diminuisce in presenza di porosità Z% A 0 - A 0 A f 100

TENSIONE E DEFORMAZIONE REALE La tensione e la deformazione nominali fanno riferimento alle dimensioni originali del provino che di fatto variano durante la prova. In alcuni casi, nasce l esigenza di tenere conto di queste variazioni. In tali casi, si parla di tensione e deformazione reale (o vera)

TENSIONE E DEFORMAZIONE REALE Tensione e deformazione reali si basano su superficie resistente e lunghezza istantanea: TENSIONE REALE A L A L DEFORMAZIONE NATURALE L - L0 L L -1 1 L L L 0 0 0 0 A0 A L L 0 0 t F A F A 0 A0 A (1 ) L ln ln 1 t L 0 Lo sforzo reale è sempre maggiore dello sforzo nominale

DEFORMAZIONE NOMINALE E REALE Si supponga di comprimere o allungare uniformamente una provetta fino alla metà o al doppio della sua lunghezza iniziale Compressione Trazione l1 l0 / 2 l 2l 1 0 t ln l l 1 0 0 l1 - l l 0-0.693-0.5 +0.693 +1.0

CONFRONTO CURVE SFORZO-DEFORMAZIONE

SFORZI E DEFORMAZIONI CLASSIFICAZIONE DELLE LAVORAZIONI Le lavorazioni per deformazione plastica possono essere classificate in: Lavorazioni a freddo: quelle in cui la temperatura è al di sotto della temperatura di ricristallizzazione. Spesso sono usate nelle fasi finali di produzione perché permettono di ottenere ottime finiture superficiali e precisione dimensionale. Esse comportano la necessità di utilizzare forze maggiori per la deformazione del materiale, ma anche la possibilità di lubrificare agevolmente la zona di contatto pezzo-utensile. La massima deformazione ottenibile senza l uso di trattamenti termici intermedi è limitata dalle caratteristiche del materiale. Lavorazioni a caldo: quelle in cui la temperatura è maggiore di quella di ricristallizzazione. E possibile ottenere grandi valori della deformazione complessiva utilizzando forze minori. Il materiale ha però la tendenza ad ossidarsi e ciò provoca un decadimento delle caratteristiche di finitura superficiale. Le tolleranze dimensionali sono più ampie rispetto al caso precedente a causa della difficile prevedibilità degli effetti legati alle dilatazioni termiche.

EFFETTO DI ALCUNE GRANDEZZE SULLA TENSIONE DI FLUSSO PLASTICO σ f f ε,ε,d,t In generale la dimensione della grana cristallina d influenza poco la tensione di flusso Nei processi di formatura a freddo è trascurabile l influenza della velocità di deformazione ed è possibile scrivere: σ f K ε n Nei processi di formatura a caldo la tensione di flusso è influenzata pochissimo dal grado di deformazione, mentre hanno grande importanza la temperatura e la velocità di deformazione: σ f Cε m

Una relazione molto utilizzata, a livello tecnologico, per la valutazione e la modellazione degli effetti della deformazione plastica a freddo è la seguente: σ Kε n f K (coefficiente di resistenza) ed n (indice di incrudimento) sono tabellati per diversi materiali e temperature Note: SFORZI E DEFORMAZIONI MODELLO PER LA DEFORMAZIONE A FREDDO Si trascura la presenza della zona elastica lineare, in quanto siamo interessati, a livello tecnologico, a ragionare in regime di grandi deformazioni Si trascura l effetto - piccolo alle basse temperature - della velocità di deformazione

SFORZI E DEFORMAZIONI MODELLO PER LA DEFORMAZIONE A CALDO Una relazione molto utilizzata, a livello tecnologico, per la valutazione e la modellazione degli effetti della deformazione plastica a caldo è la seguente: σ Cε m f C (coefficiente di resistenza) ed m (indice di sensibilità alla velocità di deformazione) dipendono da materiale e temperatura e sono tabellati Si noti che, in una prova di trazione si avrebbe: ε dε dt dl l 1 dt Con v si intende la velocità di traslazione della traversa mobile della macchina v l

EFFETTI DELLA TEMPERATURA L aumento della temperatura generalmente produce un incremento di duttilità e tenacità ed una diminuzione dei moduli elastici, del carico di snervamento e del carico di rottura A temperature molto basse si verifica un elevata fragilità anche in materiali che a temperatura ambiente risultano essere molto duttili All aumentare della temperatura aumenta il valore dell esponente m che ha un effetto significativo sul prodursi della strizione in una prova di trazione: materiali con m più elevati presentano allungamenti percentuali più alti

EFFETTI DELLA VELOCITÀ DI DEFORMAZIONE La resistenza alla deformazione di un materiale diminuisce al diminuire della velocità di deformazione. Range di Strain rate Condizioni di prova Da 10-8 a 10-5 s -1 Da 10-5 a 10-1 s -1 Da 10-1 a 10 2 s -1 Da 10 2 a 10 4 s -1 Da 10 4 a 10 8 s -1 Test di creep Test di trazione statici (quasi-statici) Test di trazione dinamici Test ad alta velocità Test esplosivi

VELOCITÀ DI DEFORMAZIONE DI ALCUNI PROCESSI

EFFETTI DEL TENORE DI CARBONIO LA PROVA DI TRAZIONE

EFFETTI DELLA TIPOLOGIA DI MATERIALI Materiale ceramico Materiale metallico Elastomero

EFFETTI DELLA DIMENSIONE DELLA GRANA

FORME SEMPLIFICATE CURVA TENSIONI NOMINALI DEFORMAZIONI NOMINALI ELASTICO PERFETTO Tale curva approssima bene il comportamento dei materiali fragili quali, ad esempio, il vetro, la ceramica e alcune ghise. La tensione massima che il materiale può sopportare ha un limite; superandolo, si verifica la rottura senza apprezzabile deformazione plastica.

FORME SEMPLIFICATE CURVA TENSIONI NOMINALI DEFORMAZIONI NOMINALI PLASTICO PERFETTO Ha per definizione un valore di E tendente ad infinito. Non appena la sollecitazione raggiunge il valore dello snervamento, la deformazione ha inizio e poi procede indefinitamente allo stesso livello di tensione; rimuovendo il carico, il materiale mantiene tutta la deformazione plastica raggiunta senza alcun recupero elastico.

FORME SEMPLIFICATE CURVA TENSIONI NOMINALI DEFORMAZIONI NOMINALI ELASTO-PLASTICO PERFETTO Tale modello può considerarsi come la combinazione dei due precedenti; esso consente un recupero elastico dopo la rimozione del carico.

FORME SEMPLIFICATE CURVA TENSIONI NOMINALI DEFORMAZIONI NOMINALI ELASTO-PLASTICO CON INCRUDIMENTO In questo caso il legame funzionale tra tensione e deformazione può pensarsi ottenuto approssimando la curva - con 2 segmenti aventi pendenze diverse. Questo moldello approssima il comportamento di molti materiali ingegneristici.

PROVA DI COMPRESSIONE La prova di compressione viene eseguita comprimendo un provino di forma cilindrica fra due superfici piane e parallele In molte lavorazioni per deformazione plastica (stampaggio, laminazione, estrusione), la deformazione si ottiene principalmente tramite un azione di compressione esercitata sul pezzo da deformare. La prova di compressione riproduce uno stato di tensione paragonabile a quello impresso al pezzo durante le lavorazioni predette ed è perciò indicativa ai fini del comportamento del materiale. ln (h o /h) = ln (A/A 0 )

PROVA DI COMPRESSIONE Sono in genere prove molto complicate dal fatto che tra provino e i piatti della macchina l attrito crea tensioni tangenziali che introducono uno stato di tensione tridimensionale (creando anche il fenomeno di imbarilimento o barelling) Il valore in modulo della tensione di snervamento a trazione ed a compressione per i metalli è simile (simmetria rispetto allo snervamento)

PROVA DI COMPRESSIONE Solo i materiali fragili e quelli poco duttili si rompono a compressione. I materiali duttili si deformano vistosamente ma non si rompono.

PROVA DI COMPRESSIONE Curve di flusso plastico ottenute da prove di compressione su acciai e leghe leggere a temperatura ambiente ed a basse velocità di deformazione