PROVE DI DUREZZA SUI MATERIALI, Appunti di Meccanica

Scarica PROVE DI DUREZZA SUI MATERIALI e più Appunti in PDF di Meccanica solo su Docsity! ISTITUTO D’ISTRUZIONE SUPERIORE CAMILLO OLIVETTI TECNOLOGIE MECCANICHE RELAZIONE TECNICA sulle Prove sui Materiali con Metodi Distruttivi e Non Distruttivi PROVE DI DUREZZA Studenti: Professore: Manuel Contiero & Angelo Nicotera Prof. Ing. Moreno Gallo Carrabba Frequentanti della Classe 5AMP a.s. 2020/2021 Pagina lasciata vuota volontariamente 1 1 – Introduzione Tutti i materiali hanno proprietà caratteristiche che li differenziano notevolmente l’uno dall’altro e la loro conoscenza ne consente la scelta e l’utilizzo idoneo a ogni specifica applicazione. Di seguito si riporta la classificazione delle proprietà dei materiali. - Proprietà chimiche: riguardano la composizione chimica del materiale e la sua struttura interna. - Proprietà fisiche: esprimono le caratteristiche legate alla natura stessa del materiale e al suo comportamento in relazione agli agenti esterni, quali il calore, la gravità, l’elettricità, etc. - Proprietà meccaniche: si riferiscono alla capacità del materiale di resistere alle sollecitazioni (insieme ai carichi esterni) a cui viene sottoposto durante il suo impiego, come pressione, trazione, flessione, compressione, taglio e urto. - Proprietà tecnologiche: rappresentano l’attitudine del materiale a essere trasformato mediante lavorazione. Di seguito è riportato uno schema con la classificazione delle varie proprietà dei materiali (Vedi Figura 1). Proprietà dei materiali Chimiche - Ossidazione - Corrosione Fisiche - Temperatura di fusione -Massa volumica - Capacità termica massica Dilatazione termica Meccaniche -Resistenza alla deformazione - Resilienza -Resistenza a fatica -Durezza - Resistenza all'usura Tecnologiche - Fusibilità, saldabilità - Truciolabilità, plasticità - Malleabilotà, duttilità -Piegabilità - Estrudibilità, imbutibilità Figura 1: Proprietà caratteristiche dei materiali. 2 2 – Metrologia 2.1 – Cos’è e perché viene usata La metrologia è la scienza della misura, ovvero la disciplina che si occupa di definire le procedure per eseguire corrette misurazioni. L'esigenza di stabilire metodi uniformi e riproducibili per misurare merci e prodotti ha indotto le autorità a definire campioni di unità di misura sin dall'antichità. Sovente basati su manufatti, a misura delle parti del corpo umano (pollice, piede) e a diffusione prevalentemente locale, essi erano del tutto inadeguati allo sviluppo non solo della scienza e della tecnologia ma anche dell'industria moderna e del commercio internazionale. La rilevazione delle misurazioni consiste nel definire una proprietà o una quantità di un oggetto o di un fenomeno fisico. L’informazione che se ne ricava viene detta misura. Le misure devono essere espresse da un numero e da un'unità di misura. Il numero esprime l'entità della proprietà o qualità misurata, mentre l'unità di misura rappresenta il termine di paragone utilizzato per effettuare la misura stessa. 2.2 – Diversi tipi di misure La scelta degli strumenti necessari alle misurazioni viene effettuata con criteri di opportunità, legati alla precisione richiesta. Le misure sono dirette se l’operatore ne legge il valore, nella corrispondente unità, direttamente dallo strumento (Esempio: misurazione di un particolare con un calibro). Le misure sono indirette se gli strumenti di rilevazione non consentono la lettura immediata; in tal caso la misura si ottiene con operazioni successive di confronto, calcolo o conversione. 2.3 – Sistema Internazionale di misura SI – UNI CEI ISO 80.000 Il Sistema Internazionale, indicato generalmente con la sigla SI, è il sistema di unità di misura definito e approvato dalle Conferenze generali sei pesi e misure che assume: - Come grandezze fondamentali: la lunghezza, il tempo, la massa, la temperatura, l’intensità di corrente elettrica, l’intensità luminosa e la quantità di sostanza; - Come grandezze supplementari: l’angolo piano e l’angolo solido. Tutte le grandezze sono derivate dalle grandezze fondamentali e supplementari. Nella tabella che segue (Vedi Tabella 1) sono riportate le grandezze fondamentali e supplementari, con i relativi nomi, simboli e definizioni, riportati nella norma UNI CEI ISO 80.000:2013. La norma, emanata dall’Ente nazionale italiano di unificazione (UNI), riprende quella pubblicata dal Consiglio nazionale delle ricerche (CNR), concorda con la UNI CEI ISO 1000:2004 e con la direttiva CEE 80/181. - ISO, International Standard Organization; - CEE, Comunità Economica Europea. 3 Tabella 1: Sistema Internazionale di misura SI. Unità fondamentali e supplementari. Unità fondamentali Grandezze Nome Simbolo Lunghezza Metro [m] Massa Chilogrammo [Kg] Tempo Secondo [s] Intensità di corrente elettrica Ampere [A] Temperatura termodinamica Kelvin [K] Intensità luminosa Candela [cd] Unità supplementari Angolo piano Radiante [rad] Angolo solido Steradiante [sr] 2.4 – Cause di errore Gli errori nelle misurazioni possono essere dovuti: - Allo strumento; - All’ambiente; - All’operatore. Gli errori derivati dallo strumento sono attribuiti a difetti di costruzione o all’usura di alcune sue parti. Per ridurre questi errori vengono costruiti con la massima accuratezza e utilizzando materiali speciali, procedendo a tarature periodiche ed effettuando manutenzioni, anch’esse periodiche. Gli errori dipendenti dall’ambiente sono originati da variazioni di temperatura e di umidità, che posso dilatare o restringere lo strumento e/o il pezzo da misurare. Gli errori dipendenti dall’operatore possono essere dovuti alla non sufficiente abilità di lettura degli strumenti e all’errore di parallasse. Si effettua questo tipo di errore quando si utilizzano degli strumenti a indice, nei quali la lettura si effettua leggendo la posizione dell’indice sulla scala graduata. Se la lettura non viene effettuata perpendicolarmente all’oggetto e allo strumento si può incorrere in questo tipo di errore. Nella seguente tabella (Vedi Tabella 2) possiamo classificare i vari tipi di errore, così da poter comprendere da chi o da cosa è stato causato. Tabella 2: Relazione tra i tipi di errore e le loro cause Cause dei tipi di errore Strumenti Ambiente Operatore Grossolani Inadeguati - Scarsa abilità Sistematici Mancata taratura Temperatura elevata Metodo sbagliato D’insensibilità Non adatti - Limitato Accidentali Mal utilizzati Sporcizia Impreparato/disattento 6 I valori di n sono riportati nella Tabella 4 che segue (questi valori sono orientativamente corretti, per però operazioni complesse o che richiedono una certa accuratezza è meglio rivolgersi a chi fornisce il materiale in questione per avere maggiori dettagli a riguardo). Tabella 4: Valori della costante n per i diversi tipi di materiali. Materiale Durezza HBW n Acciai leghe del nichel e titanio - 30 Ghisa (testata con penetratori di diametro D = 2,5 – 5 – 10 mm) < 140 >140 10 30 Rame e leghe < 35 da 35 a 200 > 200 5 10 30 Leghe leggere < 35 da 35 a 80 > 80 5 10 15 Piombo, stagno - 1 4.3 – Esecuzione della prova Le fasi necessarie per l’esecuzione della prova Brinell sono: 1. Preparazione della superficie del pezzo mediante pulizia e lavorazione accurata; 2. Posizionamento del pezzo sul piattello mobile; 3. Accostamento del pezzo al penetratore; 4. Predisposizione del carico F da applicare; 5. Applicazione graduale del carico; 6. Misura del tempo di applicazione del carico; 7. Rimozione del carico; 8. Misurazione del diametro dell’impronta d con dispositivo ottico di ingrandimento; 9. Calcolo del valore di durezza HBW. Per avere un risultato affidabile è opportuno ripetere più volte (almeno 3) la prova. Esistono tabelle di conversione e formule empiriche che permettono di ricavare il valore indicativo del carico di rottura a trazione 𝑅𝑚 in funzione della durezza Brinell HBW. Si riportano queste ultime: - Per valori di HBW < 400, 𝑅𝑚 = 3,4 𝐻𝐵 [N/mm 2]; - Per valori di HBW > 400, 𝑅𝑚 = 4,3 𝐻𝐵 − 350 [N/mm 2]. 7 4.4 – Calcolo della durezza Brinell La durezza Brinell si calcola a partire da valori ottenuti tramite la prova, come il carico di prova F (espresso in newton) e l’area della superficie dell’impronta S (espressa in mm2). Viene anche utilizzata una costante k, pari a 0,102 N/mm2 che rende il valore di HBW adimensionale (per una comprensione migliore di queste formule è consigliato fare riferimento alla Figura 3). La formula utilizzata è la seguente: 𝐻𝐵𝑊 = 𝑘 ⋅ 𝐹 𝑆 Data la forma sferica dell’impronta, la durezza Brinell può anche essere calcolata in questo modo: 𝐻𝐵𝑊 = 0,102 ⋅ 2𝐹 𝜋 ∙ 𝐷 ∙ (𝐷 − √𝐷2 − 𝑑2) 4.5 – Limiti di accettabilità Tuttavia, non sempre la prova effettuata può essere considerata valida. Lo è solamente se sono rispettate alcune condizioni, che sono (per una migliore comprensione di queste condizioni è consigliato fare riferimento alla Figura 3 e alla Figura 4): - La profondità dell’impronta deve essere <1/8 dello spessore del pezzo; - Il diametro dell’impronta deve essere compreso tra i valori 0,24 D e 0,6 D (in cui D rappresenta il diametro della sfera). Una prova viene definita perfetta quando il rapporto fra d e D risulta essere pari a 0,375 (valore teorico, difficilmente ottenibile in prove pratiche); - La distanza fra il centro delle impronte deve essere almeno 4 volte il valore di d; - La distanza dal bordo del pezzo al centro dell’impronta deve essere almeno 2,5 volte il valore di d. Figura 4: Limite di accettabilità della prova di durezza Brinell. 8 Nel caso in cui durante la prova vengano effettuate delle variazioni, variando alcuni parametri, occorre che questi vengano precisati come pedici nel simbolo HBW. 4.6 – Designazione del risultato Dopo aver effettuato la prova dobbiamo eseguire una designazione del risultato. Esistono due tipi di designazione, che sono per esempio: - 350 HBS: questa è una designazione sintetica, che risulta essere scarsamente comparabile, dato che indica solamente il valore della durezza rilevata con penetratore d’acciaio temprato; - 350 HBS 5/750/20: questa invece è una designazione estesa. Il valore rilevato è equivalente alla precedente designazione, ma questa indica anche: il diametro della sfera (5 mm), il carico applicato (750 Kg) e il tempo di applicazione (20 secondi). Se il tempo di applicazione è quello standard (15 secondi), nella designazione può non essere specificato. 4.7 – Vantaggi e svantaggi Il metodo Brinell offre vari vantaggi, che possono essere riassunti in: - Si possono testare anche materiali non omogenei (come pezzi fusi), poiché la sfera grande colpisce molti cristalli e traccia un valore medio meccanico. - Si può scegliere tra numerosi carichi di prova e diametri della sfera per le applicazioni più varie. - Le impronte grandi a confronto sono più facili da misurare rispetto alle impronte Vickers, che risultano essere piuttosto piccole. - La superficie del campione può essere ruvida. Tuttavia, questo metodo presenta anche degli svantaggi, che sono: - La qualità superficiale del campione deve essere buona, perché l'impronta viene misurata con un metodo ottico. Il punto di prova deve essere preparato. - Elevato rischio di deformazione del materiale da testare in prove nel range macro con carico di prova elevato (ad es. HBW 10/3.000) e quindi pericolo di errori di misura per la formazione di pareti. Per questo è importante illuminare bene l'impronta per poterla analizzare correttamente (con l'aiuto di una luce ad anello). - Limite di applicazione del metodo con materiali molto duri e allo stesso tempo campioni sottili - Il metodo è lento (rispetto a quello Rockwell). Il ciclo di prova dura tra 30 e 60 secondi, tempo che non comprende quello di preparazione del campione. 11 5.5 – Designazione del risultato Nel caso in cui la prova di durezza Vickers venga effettuata con parametri differenti (294 N per 10 ÷ 15 s), questi vanno indicati, per fare ciò bisogna affiancare al simbolo HV due pedici, uno indica il carico applicato espresso in Kg (il carico va da 1 a 120 Kg) e il secondo indica il tempo. Per esempio: 640 HV100/20 indica la durezza Vickers di 640 rilevata applicando un carico di 100 Kg (981 N) per un tempo di 20 secondi. 5.6 – Vantaggi e Svantaggi Come ogni altra prova, anche il metodo Vickers possiede dei vantaggi e degli svantaggi. I vantaggi sono: − Campo applicazione illimitato, sia per durezza che dimensioni del saggio; − Numero di durezza Vickers indipendente dal carico applicato. Gli svantaggi invece possono essere esplicati come segue. − Occorre un’accurata preparazione del campione; − Il volume di materiale interessato dalla prova è limitato. 5.7 – Comparazione tra i valori di durezza Vickers e di durezza Brinell Ovviamente, i valori che otteniamo attraverso una prova, come può essere la Vickers, non saranno uguali a quelli che otteniamo attraverso un altro metodo, in questo caso il metodo Brinell. Attraverso la Tabella 5 possiamo comprendere che, nonostante i valori non siano uguali, possiamo comunque metterli a confronto, utilizzando dei valori come unità standard. Tabella 5: Comparazione tra i valori di durezza Vickers con i valori Brinell. Durezza Vickers 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Durezza Brinell 95 143 190 238 284 331 379 423 471 12 5.8 – Perché viene utilizzato un diamante La prova di durezza Vickers viene utilizzata per materiali molto duri, per questo motivo il penetratore è di diamante, esso infatti è il minerale di origine naturale più duro che si conosca (come si può vedere nella Tabella 6). Tabella 6: I materiali e le loro rispettive durezze. 13 6 – Prova di durezza Rockwell HRB e HRC 6.1 – Generalità Nella prova di durezza Rockwell il penetratore agisce in due tempi sul materiale da esaminare, nella prima e nella seconda fase vengono esercitati carichi differenti. La prova Rockwell è la più semplice e rapida, ma anche meno precisa ed affidabile. Vengono utilizzate diverse tipologie di penetratori (Vedi Figura 7): - Sfera di acciaio temprato avente diametro 𝑑 = 1,5875 [𝑚𝑚] (HRBS); - Sfera di metallo duro avente diametro 𝑑 = 3,175 [𝑚𝑚] (HRBW); - Cono di diamante avente un angolo al vertice di 120° e raccordo al vertice di 𝑟 = 0,2 [𝑚𝑚] (HRC). - Figura 7: Tipologie di penetratori utilizzati nella prova di durezza Rockwell 16 6.7 – Tabella di conversione Attraverso la seguente tabella (Vedi Tabella 7) è possibile convertire i valori di durezza HRBS e HRC nei corrispettivi valori di durezza Brinell HB, Vickers HV e di carico unitario di rottura a trazione Rm. Tabella 7: Tabella di conversione delle varie durezze. 17 7 – Prova di durezza Knoop 7.1 – Generalità Il principio di funzionamento di questa prova è lo stesso di quella Vickers eccetto per il fatto che qui viene usata una piramide di diamante a base rombica (Vedi Figura 12) con un rapporto tra le diagonali 7 a 1. (Vedi Figura 13). Inoltre, essa è utilizzata per misure di microdurezza, infatti, i carichi utilizzati vanno dai 25 ai 3600 g e le impronte risultano essere molto piccole. 7.2 – Calcolo della durezza Knoop Il risultato della prova è espresso dal rapporto tra la superficie dell’impronta e la forza applicata: 𝐻𝐾𝑃 = 𝐹 𝑆 = 14,2 ∙ 𝐹 𝑏2 7.4 – Vantaggi e svantaggi Come ogni altra prova, anche il metodo Vickers possiede dei vantaggi e degli svantaggi. I vantaggi sono: − Le impronte Knoop presentano una maggiore facilità e rapidità di lettura rispetto alle Vickers; − Il metodo è indicato per misurare la durezza dei materiali molto fragili o molto sottili o induriti superficialmente. Gli svantaggi invece possono essere esplicati come segue. - Occorre un’accurata preparazione del campione; - Il volume di materiale interessato dalla prova è limitato. Figura 12: Angoli caratteristici del penetratore utilizzato nella prova Knoop Figura 13: Diagonali dell'impronta e profondità 18 8 – Prova di durezza Shore 8.1 – Generalità La prova di durezza Shore serve a testare la durezza di materiali polimerici e di elastomeri. Questa prova è regolamentata secondo le norme ISO 7619-1, DIN 53505, DIN EN ISO 868 e ASTM D2240. In questo metodo di prova, si calcola la profondità a cui un penetratore a molla entra nel materiale. La relativa durezza Shore del materiale viene misurata su una scala che va da 0 fino a 100. Più il numero aumenta, più il materiale sarà duro. Esistono diverse varianti di questa prova, le più conosciute sono: la Shore A e la Shore D. Ovviamente prima di poter decidere quale tipo di penetratore usare, bisogna capire con che tipo di materiale si ha a che fare (Vedi Figura 14). Figura 14: Scelta del penetratore in base al tipo di materiale 8.2 – Durezza Shore A La Shore A è la scala maggiormente usata nel campo della misurazione della durezza degli elastomeri termoplastici, ma anche per la gomma, materiali gommosi, plastica morbida, feltro, cuoio e materiali simili. Una lettura di 0 indica che il penetratore è entrato fino alla massima profondità, mentre una lettura di 100 indica un’assenza di penetrazione nel campione. Al di sopra dei 90 Shore A i valori sono meno attendibili, pertanto per i materiali più duri è preferibile l’utilizzo di uno Shore D, dotato di penetratore più acuminato rispetto allo Shore A. Per gli elastomeri più soffici, con una durezza inferiore ai 5 Shore A, è consigliabile l’utilizzo di uno Shore E. Il penetratore utilizzato nella prova di Shore A (Vedi Figura 15) possiede una forma a tronco piramidale. Nella prova di durezza Shore A il carico applicato è di 822 g. Figura 15: Penetratore del metodo Shore A 21 9 – Sclerometri 9.1 – Generalità Lo sclerometro è uno strumento per l'effettuazione di prove non distruttive (PND), dette prove sclerometriche, finalizzate ad accertare la stima speditiva della resistenza meccanica di elementi strutturali in calcestruzzo (in questo caso andremo proprio ad usare come materiale in prova il calcestruzzo) o talvolta in ma anche di rocce (Vedi Figura 17). Tale stima si basa sulla misura della durezza superficiale del materiale da testare, la quale è rapportata all'indice di rimbalzo dello strumento. Sono le prove non distruttive più frequentemente utilizzate dai tecnici, sebbene i valori che restituiscono, se non abbinate a prove ultrasoniche (metodo Sonreb), non risultino estremamente esaustivi. Le norme che in questo caso tutelano il calcestruzzo sono: la UNI EN 12504- 2:2012 e alcune Linee Guida per la messa in opera del calcestruzzo. Va specificato però, che l’incertezza matematica rispetto a dei fattori legati al materiale rende la prova sclerometrica non riconosciuta ufficialmente nelle normative tecniche. Figura 17: Schema grafico di uno sclerometro 9.2 – Funzionamento Vi sono vari tipi di sclerometro (sclerometro a molla di Schmidt, sclerometro a molla di Frank, ecc.) i quali sono essenzialmente costituiti da una massa battente in acciaio, azionata da una molla, che contrasta un'asta di percussione che è a diretto contatto con la superficie del calcestruzzo su cui si deve effettuare la prova sclerometrica. 22 Lo sclerometro serve a misurare la durezza del materiale e si basa sul principio che il rimbalzo della massa metallica che percuote la superficie è funzione della durezza della superficie stessa (per comprendere meglio quali parti vanno a lavorare il pezzo è consigliato riferirsi alla Figura 17). Per usare lo strumento si deve premere l'asta di percussione sulla superficie da provare fino all'arresto. In questo modo la massa contenuta nell'apparecchio viene caricata per mezzo di una molla, di una quantità fissa di energia. Si libera poi la massa, la quale urta contro il percussore ancora in contatto con la superficie e rimbalza, l'entità del rimbalzo è misurata da un indice che scorre lungo una scala graduata presente sullo strumento. Il valore di rimbalzo, opportunamente parametrizzato in funzione anche dell'angolo di battuta, fornisce un'indicazione orientativa della resistenza del calcestruzzo. A tale scopo lo strumento è corredato da più curve di correlazione indice di battitura - resistenza meccanica determinate sperimentalmente, che variano in funzione della direzione d'uso dello sclerometro (orizzontale, verticale verso il basso, verticale verso l'alto, ecc.) che, attraverso una serie di curve, consentono di risalire dalla durezza dell'elemento alla resistenza del materiale. Queste curve sono del tipo: 𝑅𝑚 = 𝑎𝑙 𝑏 Dove: - 𝑅𝑚 = resistenza media a compressione del calcestruzzo [MPa]; - 𝑙 = indice di rimbalzo; - 𝑎 e 𝑏 = coefficienti opportunamente calibrati mediante prove distruttive su carote. Il valore ottenuto viene confrontato con la resistenza media di progetto che si può ricavare dal valore di 𝑅𝑐𝑘 assunto nei calcoli dal progettista in base al tipo di calcestruzzo che si è previsto di utilizzare. Una prova sclerometrica consiste in una serie di battute (in generale 12 e non meno di 10) non sovrapposte, distanti ognuno dai 20 ai 50 mm (in genere 30 mm). Dopo di ciò si segnano i singoli indici di rimbalzo l. Per ogni misurazione normalmente si scartano i due valori maggiori e si mediano i rimanenti, ottenendo così l’indice di rimbalzo medio 𝑙𝑚. 9.3 – Parametri che influenzano la prova Tra i parametri che possono influenzare la prova i più comuni sono: - l’umidità del materiale; - la snellezza dell’elemento strutturale; - la carbonatazione (un processo chimico, naturale o artificiale, per cui una sostanza, in presenza di anidride carbonica, dà luogo alla formazione di carbonati) del calcestruzzo (in questo caso); - l’imperfetta taratura dello strumento - la non perfetta ortogonalità della superficie del pezzo rispetto allo strumento; - le zone con difetti superficiali. 23 10 – Bibliografia HOEPLI – Manuale Meccanica, Seconda Edizione – A cura di: Luigi Caligaris, Stefano Fava, Carlo Tomasello. 11 – Sitografia https://www.treccani.it/enciclopedia/metrologia_%28Enciclopedia-della-Scienza-e-della- Tecnica%29/ https://www.tausrl.it/usermedia/file/pdf/RUPAC%20-%20(7).pdf https://www.tecnoutensilidecca.it/utensileria/informativa/durometro-misurare-la-durezza-di-un- materiale/ https://it.wikipedia.org/wiki/Scala_di_Brinell https://www.emcotest.com/it/il-mondo-della-prova-di-durezza/nozioni-sulla-durezza/teoria-della- prova-di-durezza/brinell/metodi-brinell-e-applicazioni/ Scheda Prove di durezza - Itis arezzowww.itis.arezzo.it › ... https://www.emcotest.com/it/il-mondo-della-prova-di-durezza/nozioni-sulla-durezza/teoria-della- prova-di-durezza/brinell-73/vantaggi-e-svantaggi-del-metodo-brinell-330/ https://docplayer.it/20029209-Durezza-e-prova-di-durezza.html https://www.docenti.unina.it/webdocenti-be/allegati/materiale-didattico/309482 https://people.unica.it/pau/files/2015/10/5-prove_meccaniche.pdf https://doc.studenti.it/appunti/tecnologia-meccanica/2/prova-durezza-vickers.html https://www.vulcanoline.it/2017/03/14/shore-a-shore-d/ https://www.samatools.it/Guida-alla-durometria-Shore https://www.ulttc.com/it/soluzioni/metodi-di-prova/meccanici/shore-a-e-shore-d.html https://www.emcotest.com/it/il-mondo-della-prova-di-durezza/nozioni-sulla-durezza/teoria-della- prova-di-durezza/altri-metodi-di-prova-72/prova-shore-542/ https://it.wikipedia.org/wiki/Durometro#Scala_Shore https://it.wikipedia.org/wiki/Sclerometro