Prove meccaniche sui materiali, Dispense di Materiali Per Le Costruzioni

Scarica Prove meccaniche sui materiali e più Dispense in PDF di Materiali Per Le Costruzioni solo su Docsity! pr_— >’ PROVE MECCANICHE Le prove meccaniche si eseguono allo scopo di misurare le proprietà meccaniche dei materiali, ossia quelle che caratterizzano il comportamento di un materiale sotto l’azione di forze esterne. La misura delle proprietà è effettuata mediante prove, condotte nel rispetto di norme precisate dalle unificazioni pr_— >’ PROVA di TRAZIONE Misura delle proprietà di RESISTENZA, DEFORMABILITA’ ed ELASTICITA’ del materiale Fornisce grandezze, che per quanto convenzionali, sono utilizzate: • nella progettazione • nella valutazione sull’applicabilità di processi tecnologici ad un materiale • in indagini di carattere scientifico o di failure-analysis SCOPO: La prova di trazione rappresenta il più importante test convenzionale. La prova di trazione è: → STATICA → DISTRUTTIVA → UNIFICATA La prova di trazione è eseguita su provini (con dimensioni e geometria opportuna) attraverso l’applicazione di un carico monoassiale crescente (se pur lentamente). I risultati della prova di trazione sono rappresentati da un diagramma carico-allungamento e da una serie di grandezze relative alla resistenza, deformabilità, ed all’elasticità di cui è costituito il provino. La normativa di riferimento per l’Europa è la UNI EN 10002. Provini per la prova di trazione a sezione circolare e rettangolare; il tratto L è il tratto calibrato, il tratto L0 è quello di riferimento, del quale si misura l’allungamento. Affinché tutte le grandezze che si ottengono dalla prova risultino indipendenti dalla geometria del provino è necessario che il rapporto fra la lunghezza L0 e la sezione iniziale S0 rispetti le seguenti relazioni: Provini proporzionali L0=k√S0 L0=nd0 Nelle normative Europee k=5,65 ed n=5 Nelle normative americane k=4,61 ed n=4 Diametro iniziale provette Dopo aver determinato l'area della sezione iniziale e aver marcato la lunghezza iniziale, il provino è posizionato con opportuni dispositivi nella macchina di prova in modo che il carico sia applicato il più assialmente possibile. La velocità della macchina deve essere quanto più possibile costante e può variare entro limiti che dipendono dalla natura del materiale. La prova si può eseguire in 2 modi differenti, incrementando il carico oppure la deformazione. La descrizione più soddisfacente e completa si ottiene dalla macchina in grado di assicurare la velocità di deformazione programmata e scegliendo il carico corrispondente: il carico diventa la variabile dipendente. Per la misura delle deformazioni residue alla rottura occorre valutare la lunghezza del provino dopo la prova riaccostando le due porzioni rotte del provino. L’allungamento percentuale a rottura viene valutato misurando la distanza Lu ottenuta tra le due sezioni di riferimento opportunamente evidenziate nel tratto utile (inizialmente a distanza L0) Provino a sezione circolare dopo rottura e riaccostamento delle due metà (acciaio duttile). Tensione di trazione, o: Area, A i ara t o=tt Ao Area prima del carico Unità di misura Pa  Legami distanziati Ritorno alle dimensioni Li - iniziali Una deformazione F . . ef. Lineare elastica elastica è reversibile Def. Non-Lineare TENSIONE e DEFORMAZIONE REALI Tensione reale, σ: Deformazione reale, ε: Lunghezza istantanea Lunghezza finale Lunghezza iniziale Proprietà lineari elastiche: Se il materiale si allunga elasticamente significa che può riprendere la sua lunghezza originaria se il carico ritorna a zero. L'andamento risulta lineare la legge che lo rappresenta è la legge di Hooke. Legge di Hooke: E modulo elastico (modulo di Young) Durante la prova possiamo registrare il diagramma cartesiano che riporta in ascissa gli allungamenti del provino e sulle ordinate il carico di trazione ad esso applicato : questo diagramma è chiamato Diagramma Carichi-Allungamenti. Per un materiale come l’acciaio a basso tenore di carbonio , il diagramma si presenta come quello mostrato. Qualora dal diagramma carichi allungamenti non risulti rilevabile il valore del carico di snervamento, si stabilisce convenzionalmente di sostituirlo con quel carico che induce una deformazione permanente dello 0,2%: Fs(0,2). 0S F R sss s Tensione di snervamento, σs in N/mm2 Si indica anche con il simbolo Rs ed è uno dei dati più pratici e più importanti Periodo della Strizione : A partire dal punto M ha inizio il fenomeno della strizione in seguito al quale tutta l’ulteriore deformazione si concentra in un breve tratto della provetta. Il carico Fm è definito carico massimo di rottura o resistenza alla trazione. Il carico Fu è definito carico ultimo. Il diametro in corrispondenza della sezione di massima contrazione si riduce da dp a du mentre la zona fuori dalla strizione non si deforma ulteriormente Tensione di rottura a trazione, σm in N/mm2 0S F R mm s a. Oltre il punto S si verifica un vero e proprio periodo di snervamento con doppio limite di snervamento, inferiore e superiore (come in certi acciai a basso contenuto di carbonio) b. La curva presenta nettamente un punto singolare S c. Non si distingue passaggio graduale tra i primi due periodi (es. rame) d. Caso di rottura prematura prima di raggiungere il carico Fm (materiali poco deformabili) Per materiali molto deformabili si hanno tutti e tre i periodi descritti. Si possono distinguere alcuni sottotipi di diagrammi: Strizione percentuale Z Coefficiente di strizione percentuale Z: è definito dalla variazione della sezione di rottura Su rispetto alla sezione iniziale So e moltiplicato per 100. Per provette cilindriche Su = aubu S0 = a0b0 Nei diagrammi visti le ascisse e le ordinate sono riferite alla sezione e alla lunghezza iniziali, il carico di rottura risulta, paradossalmente, inferiore ai valori precedenti mentre si verifica che due valori diversi di deformazione richiedono uguale carico. In realtà la deformazione si accumula mentre la lunghezza varia. Se ci riferiamo ad un incremento di deformazione infinitesimo dε, in corrispondenza dell’allungamento L+dL, allora si ha: Deformazione reale: In campo plastico avanzato, a seguito dell’instaurarsi di una marcata strizione della sezione trasversale, anche la definizione data di tensione nominale non è più adeguata a descrivere il reale valore di tensione presente nel provino. Si può definire un valore di tensione reale che vale sin quando il provino permane in stato monoassiale di tensione. S F sTensione reale Il legame tra la tensione reale e quella nominale è immediato nel caso in cui vale l’ipotesi di deformazione a volume costante.                0 0 00 L L S S LSSL  ess                               1 00 0 0 L L S F S S S FΔV=cost                  00 lnln S S L L e   eses  1f La prova di durezza misura la resistenza di un materiale metallico ad un penetratore o ad un utensile da taglio. La durezza influenza la resistenza all'usura, all' incisione, al taglio e talvolta anche alla corrosione. Prove di durezza: si determina la resistenza opposta da un materiale a lasciarsi penetrare da un altro materiale (penetratore). La durezza viene misurata dalla dimensione di un’impronta realizzata da un penetratore su cui agisce un carico prefissato. La durezza è un indice della deformabilità plastica delle superfici del materiale in esame. • Test: • statici convenzionali • BRINELL • VICKERS • ROCKWELL • Test economici, semplici e minimamente invasivi • La durezza dipende dal sistema (dispositivo + metodo) con cui si misura Necessità della standardizzazione (norme)  scale di durezza. Nella norma è indicato: • Metodo con il quale si effettua la prova • Verifica e calibrazione della macchina di prova • Calibrazione dei materiali di riferimento durometro singolo valore di durezza (correlabile ad altre proprietà) • La scelta del metodo di prova per la misura della durezza dipende da: • Tipo di materiale • Caratteristiche del pezzo da esaminare • Dalle informazioni che si vogliono ottenere • Dalla rapidità e dalla possibilità di automatizzare le prove • N.B. Le metodologie di prova che saranno illustrate sono valide solo per i materiali metallici che si prestano ad essere deformati plasticamente. Durezza Brinell K dipende dal materiale Scelta del carico 2 102.0 1 KDF  [N] D si sceglie in base allo spessore (se possibile è consigliata la sfera da 10 mm) Il carico deve essere scelto in modo che 0.24 D < d < 0.6 D Materiali ferrosi K=30 Leghe di alluminio K=5 Leghe di stagno e piombo K=1 s (mm) D (mm) P (kgf) >6 10 3000 36 5 750 <3 2.5 187.5 Materiali ferrosi Legge di similitudine meccanica Durezza Brinell Carichi in funzione dei materiali in prova Materiale Durezza Brinell 0,102 S Acciaio 30 Ghisa (*) <140 10 = 140 30 Rame e sue leghe <35 5 da 35 a 200 10 > 200 30 Metalli leggeri e leghe «35 1,25 leggere 235: da 35 a 80 9 10 15 > 80 10 15 Piombo, stagno 1 1,25 (#) Per le prove sulla ghisa, il diametro nominale della sfera deve essere 2,5, 5 o 10 mm. Durezza Brinell Modalità di prova • Il carico P applicato gradualmente deve essere esattamente il valore fissato e la durata di applicazione deve essere stabilita, almeno 10-15s, e mantenuta costante. • Superficie liscia e piana • Impronte distanziate tra loro e il bordo • Spessore del pezzo almeno 8 volte la profondità di penetrazione • Nessuna deformazione deve essere visibile sulla facciata opposta dopo a prova dist. centro impronta – bordo ≥ 2.5D dist. centri 2 impronte ≥ 4D Durezza Vickers Indentatore: piramide in diamante a base quadrata con angolo al vertice di 136° 2 1891.0102.0 d F S F S P HV  22 1891.068sin2102.0 d F d F HV  P [kgf] S [mm2] F [N] d [mm] S = area della superficie dell’impronta d = media delle due diagonali ahS 2 1 4 2 2d a    68sin 2 4 d h   68sin2 1 2d S P in genere 30 kgf Dimostrazione della relazione: h d a Durezza Vickers Modalità di prova • Superficie ben levigata, liscia e piana*, libera da ossidazione, finitura ottimale. • Carico applicato gradualmente • Impronte distanziate tra loro e il bordo • Permanenza del carico almeno 10-15s • Spessore del pezzo almeno 1.5 volte la diagonale dell’impronta • Nessuna deformazione deve essere visibile sulla facciata opposta dopo a prova *Se la superficie è curva i valori di durezza devono essere corretti con opportuni fattori dist.centro impronta – bordo e dist. centri 2 impronte deve essere almeno 4d Durezza Vickers Esempio 350 HV 10/20 350 Valore della durezza Vickers (kgf/mm2, ma non si indica) HV Simbolo della durezza Vickers 10 Forza applicata (98.1 N≈10 kgf) /20 Tempo di permanenza (20 s) – se non indicato si intende 10-15 s. Designazione La durezza Vickers è indicata con il termine HV seguito da numeri che rappresentano la forza applicata (in kgf) e la durata di applicazione della forza (in s). Esistono tabelle in cui, note le diagonali dell’impronta, si legge direttamente il valore di una durezza Vickers corrispondente a un certo carico applicato Durezza Rockwell I parametri della prova cambiano a seconda del penetratore utilizzato e il valore della durezza sarà espresso in funzione della profondità di penetrazione con le seguenti formule: eNHR  HRB = 130 – e per prove con penetratore sferico HRC = 100 – e per prove con penetratore conico N = numero specifico della scala e = aumento residuo della profondità di penetrazione in unità specifica della scala (unità specifica 0.001 o 0.002 mm) Esempio 60 HRC 60 Valore della durezza Rockwell HR Simbolo della durezza Rockwell scala C Durezza Rockwell Designazione La durezza Rockwell è indicata con le lettere HR seguite da una lettera che indica la scala (HRB , HRC) Durezza Rockwell Modalità di prova • Superficie ben levigata, liscia e piana*, libera da ossidazione. • Impronte distanziate tra loro e il bordo • Permanenza del carico 1-8 s per il carico iniziale 1-15 s per il carico totale (a seconda della scala) • Nessuna deformazione deve essere visibile sulla facciata opposta dopo a prova *Se la superficie è curva con raggio di curvatura inferiore a 25 mm i valori di durezza devono essere corretti con opportuni fattori dist.centro impronta – bordo ≥ 2.5 diametri d’impronta (cmq > 1mm) dist. centri 2 impronte ≥ 4 diametri d’impronta (cmq > 2mm) Prova di Microdurezza Schema di un durometro Apparecchio di misura per microdurezza Prova di Microdurezza La prova di MICRODUREZZA serve in particolare quando: Misura su fogli sottili (fino a 0.0127 mm) Fili di piccolo diametro Controllo di durezza per rivestimenti superficiali Misura della durezza dei microcomponenti Controllo di processo nei trattamenti superficiali quali: cementazione, nitrurazione, carbonitrurazione Regole Generali • Valgono le regole indicate precedentemente • In più il pezzo deve presentare una superficie con un grado di rugosità molto basso Impronte di microdurezza Vickers Prova di Durezza: ESERCIZI Al microscopio ottico la micrografia di una lega presenta due fasi ben distinguibili indicate rispettivamente come fase A e B: Si vuole sapere di quali fasi si ) A tratta