Prove meccaniche per la durezza, Dispense di Meccanica

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PROVE MECCANICHE La prova di trazione: modalità di rottura Il processo che conduce alla rottura con separazione delle parti si articola in diversi passi a-b) Dapprima, dopo |’ inizio della strizione, all’interno del provino si formano, in corrispondenza di microdifetti, cavità di piccole dimensioni 4 | ico | (microvuoti) a) | | Ì Y c) AI procedere della deformazione, queste microcavità tendono ad allargarsi e a fondersi tra loro fino a formare una fessura interna di forma approssimativamente ellittica con asse maggiore ortogonale all’ asse del provino d) Infine la frattura tende rapidamente a propagarsi verso l'esterno mediante scorrimento lungo una superficie conica inclinata a 45° rispetto all’ asse del provino (direzione delle massime d) tensioni tangenziali) e) Questo tipo di rottura, tipico del materiali duttili, è talvolta denominato “frattura a coppa e cono” per la particolare forma assunta dai due monconi del provino dopo la loro completa separazione Per ogni materiale il campo elastico è il rapporto tra le sollecitazioni (s) e gli allungamenti. Tale valore viene indicato dalla lettera E , e si chiama Modulo di Elasticità o Modulo di Yang Materiali E (N/mm²) Materiali E (N/mm²) Acciaio 210000 Calcestruzzo 20000 Rame 110000 Piombo 14000 Ghisa 100000 Legno 14000 Alluminio 74000 Durezza In generale si definisce durezza la resistenza di un materiale alla deformazione localizzata, sia essa provocata mediante indentazione, graffio, taglio o flessione Nei metalli, nei materiali ceramici e nei polimeri si considera la deformazione plastica, mentre per gli elastomeri (e qualche polimero), la durezza assume il significato di resistenza alla deformazione elastica. Il fatto che per la durezza non esista una definizione univoca (come invece accade per altre proprietà meccaniche) lascia supporre che essa non rappresenti una caratteristica fondamentale del materiale. Piuttosto si potrebbe affermare che la durezza rappresenta una sorta di effetto combinato originato da resistenza di snervamento, di rottura, incrudimento!, modulo di Young, ecc. Le misure di durezza sono ampiamente utilizzate nel processo di controllo di qualità dei materiali perchè semplici e rapide da eseguire. Si considerano non distruttive (o semi- distruttive) quando vengono effettuate in regioni caratterizzate da bassi regimi di sforzo. 'L'inerudimento è un fenomeno metallurgico per cui un materiale metallico risulta rafforzato in seguito ad una deformazione plastica a freddo.  Talco Mg3Si4O10(OH)a i Gesso CaSO4-2H20 3, Calcite CaCO3 9 Fluorite CaFa 21 Apatite Cas(PO4)3(OH",CI,F7) 48 Ortoclasio KAISi3Os 72 Quarzo SIO2 100 Topazio Al2Si04(OH7,F7)2 200 Corindone Al203 400 Diamante c 1600  Misura dell’ impronta Misura dell’abbassamento lasciata dal corpo che del corpo che indenta la indenta la superficie oggetto superficie oggetto di test di test na » Rockwell * Brinell wi * Vickers I | ap: Durezza Brinell (impronta) La prova di durezza Brinell, definita dalla norma UNI EN 6506-1, si esegue applicando sul provino un carico, a mezzo di opportuno penetratore, e misurando la superficie dell’impronta lasciata sul materiale. La durezza Brinell è proporzionale al rapporto tra il carico di prova diviso l’area della superficie curva originata nell’ impronta HB=0.102-£ S dove il fattore di conversione 0,102 serve per conservare immutati i valori delle durezze con il sistema originariamente adottato, prima dell'introduzione del sistema internazionale d’unita' (SI). Infatti: 1 N = 1 Kgf/ 9,80665=1 Kgfx 0,102  10-15s TT DI Il carico, espresso in Newton, si seleziona utilizzando la relazione nella quale £ è una costante legata al materiale da testare e D il diametro del penetratore espresso in mm. I valori di k sono ricavabili dalla letteratura Leghe di stagno e piombo 1 Leghe di alluminio 5 Leghe di rame 10 Acciai 30 Leghe di nichel 30 Leghe di titanio 30 * Il provino deve essere opportunamente preparato in modo che la superficie sulla quale si effettua la prova sia pulita ed esente da contaminanti. * Mediante un sistema ottico si visualizza la superficie su uno schermo con ingrandimento 20 o 70X e si serra il provino su un apposito portaprovino in modo che non si sposti durante la prova. Successivamente si procede all’ applicazione del carico. * Il carico è applicato secondo una rampa iniziale che si esegue in un tempo variabile tra 2 e 8 s, e resta costante al valore massimo per un periodo compreso tra 10 e 15 s. Trascorso tale tempo si rimuove il carico e si visualizza la superficie sulla quale è impressa |’ impronta, che sullo schermo apparirà come una circonferenza. * Per tenere conto di eventuali anisotropie del materiale si esegue una coppia di misure ortogonali dei diametri calcolando la media aritmetica per ricavare il valore dell’ area S * Questa prova richiede l’uso di provini con superfici lucide e piatte, inoltre bisognerà accertarsi che l’ impronta non abbia raggiunto la superficie opposta del provino (lo spessore minimo deve essere almeno otto volte la profondità dell’ impronta) o che non sia troppo vicina al suo bordo o ad un’ impronta precedente Durezza Vickers (impronta) La prova di durezza Vickers, definita dalla norma UNI EN 6507, si esegue applicando sul provino un carico mediante un opportuno penetratore a forma piramidale e misurando la superficie di impronta. La durezza Vickers è proporzionale al rapporto tra il carico di prova e la superficie dell’ impronta (F in Newton, S in mm?) HV=0,102-È S Il penetratore ha forma piramidale retta a base quadrata ed è realizzato in diamante. L’ errore massimo ammesso nella realizzazione della punta è di soli 2 micron. Il metodo Vickers estende e perfeziona la prova Brinell in quanto ha un campo di applicazione illimitato sia per la durezza che per lo spessore del pezzo da provare senza la necessità di cambiare il penetratore, con la sola modifica del carico di prova. Materiale Forma N. impronte Rockwell C Diamante Cono circolare retto Almeno due Rockwell B Acciaio Temprato Sfera D>1.59 mm Almeno due Esistono differenti tipi di scala Rockwell, ognuna caratterizzata da un preciso valore del carico da applicare e da un determinato tipo di penetratore. Il valore della durezza Rockwell viene calcolato usando la formula h Durezza Rockwell = N —— e dove N è il numero specifico della scala (vale 100 o 130 a seconda che si impieghi un penetratore in diamante o in acciaio, e I unità specifica della scala espressa in mm (0.002 mm) ed f l'aumento residuo della profondità di penetrazione sotto il carico iniziale dopo l’ eliminazione del carico aggiuntivo La prova Rockwell presenta alcuni vantaggi che la fanno spesso preferire alle altre: * facilità e rapidità di esecuzione * elevata capacità di diversificare acciai con durezza di poco differente * piccole dimensioni dell’ impronta (applicabile su pezzi finiti) * possibilità di automatizzazione * assenza di misure ottiche Durezza Rockwell C (metalli duri) Il penetratore è costituito da un cono di diamante con angolo di apertura 120° e raggio di curvatura, in corrispondenza della punta, di 0.2 mm Si porta il penetratore a contatto con la superficie del pezzo da provare e si applica un precarico di 98.07 N; si azzera l'indicatore di profondità e, in un tempo compreso tra 2 e 8 s, si aggiunge il carico addizionale pari a 1373 N, in modo da avere un carico totale di 1471 N. Trascorsi 4 s, il carico addizionale viene rimosso e si misura sull’indicatore la profondità di penetrazione h, mantenendo il precarico iniziale. Il valore della durezza è dato dall’ espressione: } HRC=100-" e Nell’eseguire le prove di durezza Rockwell bisogna fare in modo che lo spessore del provino sia almeno pari a 70h per prove effettuate con l’indentatore conico ed almeno 15h per prove effettuate con il penetratore sferico. La distanza tra i centri di due impronte adiacenti deve essere di almeno 2mm e la distanza tra il centro dell’ impronta ed il bordo del provino almeno 1 mm